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JP7695041B2 - Negative electrode and secondary battery including the same - Google Patents
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Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、2020年4月22日に出願された韓国特許出願第10-2020-0048940号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として含まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
This application claims the benefit of priority based on Korean Patent Application No. 10-2020-0048940, filed on April 22, 2020, and all contents disclosed in the documents of the Korean patent application are incorporated herein by reference.

本発明は、負極集電体、前記負極集電体上に配置される第1負極活物質層、及び前記第1負極活物質層上に配置される第2負極活物質層を含み、前記第2負極活物質層は、第2負極活物質、及び第2導電材を含み、前記第2負極活物質は、シリコン系活物質を含み、前記シリコン系活物質は、SiO(0≦X<2)を含み、前記第2導電材は、2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が並んで結合したカーボンナノチューブ構造体;を含み、前記カーボンナノチューブ構造体は、前記第2負極活物質層内に0.01重量%~1.0重量%で含まれる負極及びそれを含む二次電池に関する。 The present invention relates to an anode including a negative electrode current collector, a first negative electrode active material layer disposed on the negative electrode current collector, and a second negative electrode active material layer disposed on the first negative electrode active material layer, the second negative electrode active material layer including a second negative electrode active material and a second conductive material, the second negative electrode active material including a silicon-based active material, the silicon-based active material including SiO x (0≦X<2), the second conductive material including a carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bonded in a line, and the carbon nanotube structure is included in the second negative electrode active material layer in an amount of 0.01 wt % to 1.0 wt %, and a secondary battery including the same.

最近、モバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴い、エネルギー源としての電池の需要が急激に増加しており、それによって多様な要求に応じ得る電池に対する研究が様々に行われている。特に、このような装置の電源として、高いエネルギー密度を有しながらも、優れた寿命及びサイクル特性を有するリチウム二次電池に対する研究が活発に進められている。 Recently, with technological development and increased demand for mobile devices, the demand for batteries as an energy source has increased dramatically, and as a result, various researches are being conducted on batteries that can meet various demands. In particular, active research is being conducted on lithium secondary batteries that have high energy density as well as excellent life and cycle characteristics as a power source for such devices.

リチウム二次電池は、リチウムイオンの挿入/脱離が可能な正極活物質を含んでいる正極と、リチウムイオンの挿入/脱離が可能な負極活物質を含んでいる負極、前記正極と負極との間に微細多孔性分離膜が介在した正極組立体に、リチウムイオンを含有した非水電解質が含まれている電池を意味する。 A lithium secondary battery is a battery that includes a positive electrode assembly having a positive electrode active material capable of inserting/desorbing lithium ions, a negative electrode having a negative electrode active material capable of inserting/desorbing lithium ions, and a microporous separator between the positive electrode and the negative electrode, and a non-aqueous electrolyte containing lithium ions.

一方、前記負極活物質のみでは、負極の導電性が確保できないので、電池の抵抗が高すぎるという問題があり、通常、負極は、導電材をさらに含むようになる。従来には、カーボンブラックなどの点状導電材を主に使用し、導電性をさらに改善して電池の容量を改善するために、カーボンナノチューブ、カーボンナノ繊維などの線状導電材も使用されている。 On the other hand, the negative electrode active material alone cannot ensure the conductivity of the negative electrode, which can lead to a problem of the battery's resistance being too high. For this reason, the negative electrode usually further contains a conductive material. Conventionally, dot-shaped conductive materials such as carbon black have been mainly used, and linear conductive materials such as carbon nanotubes and carbon nanofibers have also been used to further improve the conductivity and thus the capacity of the battery.

シングルウォールカーボンナノチューブは、前記線状導電材の一つであり、細長い形状により負極活物質層内の導電性を向上させる。これにより、従来には、前記シングルウォールカーボンナノチューブを完全に分散させた分散液を介して負極スラリーを製造した後、前記負極スラリーを介して負極活物質層を製造した。 Single-walled carbon nanotubes are one of the linear conductive materials, and their elongated shape improves the conductivity in the negative electrode active material layer. For this reason, in the past, negative electrode slurry was produced using a dispersion liquid in which the single-walled carbon nanotubes were completely dispersed, and then the negative electrode active material layer was produced using the negative electrode slurry.

ただし、電池の充放電が繰り返すと、負極活物質が体積膨張と収縮を繰り返すことにより、前記シングルウォールカーボンナノチューブが切断されるようになり、負極活物質層内の導電性ネットワークの維持が困難であるという問題がある。特に、電池の容量を改善させるために、負極活物質としてシリコン系活物質を使用する場合、電池充放電により前記シリコン系活物質の体積が膨張しすぎて、前記シングルウォールカーボンナノチューブの切断現象がより深刻に発生する。これにより、導電性ネットワークが遮断されるか減少することになり、これは、電池の寿命特性を低下させる。また、前記シングルウォールカーボンナノチューブは、シリコン系活物質の表面を包んで存在するので、隣接した負極活物質を導電的に互いに連結させる役割を円滑に果たすことができない。 However, when the battery is repeatedly charged and discharged, the negative electrode active material repeatedly expands and contracts in volume, causing the single-walled carbon nanotubes to break, making it difficult to maintain the conductive network in the negative electrode active material layer. In particular, when a silicon-based active material is used as the negative electrode active material to improve the capacity of the battery, the volume of the silicon-based active material expands too much due to the charging and discharging of the battery, causing the single-walled carbon nanotubes to break more severely. This causes the conductive network to be cut off or reduced, which reduces the life characteristics of the battery. In addition, since the single-walled carbon nanotubes are present by wrapping the surface of the silicon-based active material, they cannot smoothly perform their role of conductively connecting adjacent negative electrode active materials to each other.

一方、カーボンナノチューブを導電材として使用する場合、負極活物質層内で前記カーボンナノチューブを均一に配置させるためには、固形分の低いカーボンナノチューブ分散液を使用しなければならない。ただし、低い固形分を有するカーボンナノチューブを使用するようになると、負極の乾燥時に負極活物質に比べて相対的に低密度であるバインダーと導電材とが負極活物質層の上層部(集電体から離れる方向)に容易に移動する傾き現象(migration)が発生して、負極接着力及び電気伝導度が大幅に低下する問題がある。 On the other hand, when carbon nanotubes are used as a conductive material, a carbon nanotube dispersion with a low solid content must be used in order to uniformly distribute the carbon nanotubes in the negative electrode active material layer. However, when carbon nanotubes with a low solid content are used, a migration phenomenon occurs in which the binder, which has a relatively low density compared to the negative electrode active material, and the conductive material easily migrate to the upper layer of the negative electrode active material layer (away from the current collector) when the negative electrode is dried, resulting in a significant decrease in the negative electrode adhesive strength and electrical conductivity.

したがって、本発明では、負極活物質の大きな体積変化にも導電性ネットワークを連結することができ、前記バインダーの傾き現象による問題を最小化できる負極を紹介する。 Therefore, the present invention introduces an anode that can connect a conductive network even with large volume changes in the anode active material, thereby minimizing problems caused by the binder tilt phenomenon.

本発明が解決しようとする一課題は、導電性ネットワークを円滑に維持しながら、前記バインダーの傾き現象による問題を最小化することにより、入/出力特性、及び寿命特性を向上させ得る負極の提供を目的とする。 The problem that the present invention aims to solve is to provide a negative electrode that can improve input/output characteristics and life characteristics by minimizing problems caused by the binder tilt phenomenon while smoothly maintaining a conductive network.

本発明が解決しようとする他の課題は、前記負極を含む二次電池の提供を目的とする。 Another problem that the present invention aims to solve is to provide a secondary battery that includes the negative electrode.

本発明の一実施形態によれば、負極集電体、前記負極集電体上に配置される第1負極活物質層、及び前記第1負極活物質層上に配置される第2負極活物質層を含み、前記第2負極活物質層は、第2負極活物質、及び第2導電材を含み、前記第2負極活物質は、シリコン系活物質を含み、前記シリコン系活物質は、SiO(0≦X<2)を含み、前記第2導電材は、2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が並んで結合したカーボンナノチューブ構造体;を含み、前記カーボンナノチューブ構造体は、前記第2負極活物質層内に0.01重量%~1.0重量%で含まれる負極が提供される。 According to one embodiment of the present invention, there is provided a negative electrode including a negative electrode current collector, a first negative electrode active material layer disposed on the negative electrode current collector, and a second negative electrode active material layer disposed on the first negative electrode active material layer, the second negative electrode active material layer including a second negative electrode active material and a second conductive material, the second negative electrode active material including a silicon-based active material, the silicon-based active material including SiO x (0≦X<2), the second conductive material including a carbon nanotube structure including 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units bonded in a row, and the carbon nanotube structure is included in the second negative electrode active material layer in an amount of 0.01 wt % to 1.0 wt %.

本発明の他の実施形態によれば、前記負極を含む二次電池が提供される。 According to another embodiment of the present invention, a secondary battery including the negative electrode is provided.

本発明に係る負極は、圧延時、第2負極活物質層が2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が並んで結合した長いロープ(rope)状のカーボンナノチューブ構造体を含むので、前記カーボンナノチューブ構造体が第2負極活物質層のSiO(0≦X<2)の大きな体積変化にも第2負極活物質を連結して互いに強く保持することができ、前記SiO(0≦X<2)が損傷(例えば、クラック(crack))を抑制させることができる。また、前記負極は、それぞれのスラリーとして順次配置された第1負極活物質層と第2負極活物質層とを有するので、前述したバインダー及び導電材の傾き現象を最小化することができる。さらに、前記第2負極活物質層がカーボンナノチューブ構造体を含むので、第1負極活物質層と第2負極活物質層との接着力を強化することができる。これにより、電池の入/出力特性、及び寿命特性を改善することができる。 In the negative electrode according to the present invention, the second negative active material layer includes a long rope-shaped carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are aligned and bonded together during rolling, so that the carbon nanotube structure can connect the second negative active material to each other and strongly hold the SiO x (0≦X<2) of the second negative active material layer even when the volume of the SiO x (0≦X<2) of the second negative active material layer changes significantly, and the SiO x (0≦X<2) can be prevented from being damaged (e.g., cracked). In addition, since the negative electrode has the first negative active material layer and the second negative active material layer sequentially arranged as respective slurries, the aforementioned inclination phenomenon of the binder and the conductive material can be minimized. Furthermore, since the second negative active material layer includes a carbon nanotube structure, the adhesive force between the first negative active material layer and the second negative active material layer can be strengthened. As a result, the input/output characteristics and life characteristics of the battery can be improved.

比較例1の負極及び実施例1の負極のバインダー分布を分析した写真である。4 is a photograph showing an analysis of binder distribution in the negative electrode of Comparative Example 1 and the negative electrode of Example 1. 実施例1の負極の第2負極活物質層のSEM写真である。4 is a SEM photograph of a second negative electrode active material layer of the negative electrode of Example 1. 実施例2の負極の第2負極活物質層のSEM写真である。13 is a SEM photograph of a second negative electrode active material layer of the negative electrode of Example 2. 比較例3の負極の第2負極活物質層のSEM写真である。13 is a SEM photograph of a second negative electrode active material layer of the negative electrode of Comparative Example 3. 実施例1の負極の第2負極活物質層のSEM写真である。4 is a SEM photograph of a second negative electrode active material layer of the negative electrode of Example 1. 比較例2の負極の第2負極活物質層のSEM写真である。13 is a SEM photograph of a second negative electrode active material layer of the negative electrode of Comparative Example 2.

本明細書及び特許請求の範囲に用いられる用語や単語は、通常的かつ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるとの原則に即して、本発明の技術的思想に適合する意味と概念に解釈されなければならない。 The terms and words used in this specification and claims should not be interpreted in a limited way to their ordinary and dictionary meanings, but should be interpreted in a way that is consistent with the technical ideas of the present invention, based on the principle that the inventor himself/herself can appropriately define the concept of the term in order to best describe the invention.

本明細書で用いられる用語は、単に例示的な実施形態を説明するために用いられたものであって、本発明の限定を意図するものではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味がない限り、複数の表現を含んでよい。 The terms used in this specification are merely used to describe exemplary embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

本明細書において、「含む」、「備える」又は「有する」などの用語は、実施された特徴、数字、段階、構成要素、又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つ又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、構成要素、又はこれらを組み合わせたものなどの存在又は付加可能性を予め排除しないものとして理解されなければならない。 In this specification, the terms "including," "comprise," "have," and the like are intended to specify the presence of embodied features, numbers, steps, components, or combinations thereof, and should be understood as not precluding the presence or additional possibility of one or more other features, numbers, steps, components, or combinations thereof.

本明細書において、「%」は、特に明示的な表示がない限り、重量%を意味する。 In this specification, "%" means % by weight unless otherwise specified.

本明細書において、「比表面積」は、BET法により測定したものであって、具体的には、BEL Japan社のBELSORP-mini IIを用いて液体窒素温度下(77K)での窒素ガス吸着量から算出され得る。 In this specification, "specific surface area" is measured by the BET method, and specifically, can be calculated from the amount of nitrogen gas adsorbed at liquid nitrogen temperature (77K) using a BELSORP-mini II from BEL Japan.

本明細書において、平均粒径(D50)は、粒子の粒径分布曲線において、体積累積量の50%に該当する粒径として定義してよい。前記平均粒径(D50)は、例えば、レーザー回折法(laser diffraction method)を用いて測定してよい。前記レーザー回折法は、一般的にサブミクロン(submicron)領域から数mm程度の粒径の測定が可能であり、高再現性及び高分解性の結果が得られる。 In this specification, the average particle size ( D50 ) may be defined as a particle size corresponding to 50% of the cumulative volume in a particle size distribution curve of the particles. The average particle size ( D50 ) may be measured, for example, by a laser diffraction method. The laser diffraction method generally allows measurement of particle sizes from the submicron range to several mm, and provides results with high reproducibility and high resolution.

本発明において、シングルウォールカーボンナノチューブ単位体は、炭素原子からなるウォール(wall)が一つであるチューブ状の単位体を意味し、マルチウォールカーボンナノチューブ単位体は、一つのチューブに炭素原子からなるウォールが多重であるチューブ状の単位体を意味する。 In the present invention, a single-wall carbon nanotube unit refers to a tubular unit having one wall made of carbon atoms, and a multi-wall carbon nanotube unit refers to a tubular unit having multiple walls made of carbon atoms in one tube.

以下、本発明について具体的に説明する。 The present invention will be described in detail below.

負極
本発明に係る負極は、負極集電体、前記負極集電体上に配置される第1負極活物質層、及び前記第1負極活物質層上に配置される第2負極活物質層を含み、前記第2負極活物質層は、第2負極活物質、及び第2導電材を含み、前記第2負極活物質は、シリコン系活物質を含み、前記シリコン系活物質は、SiO(0≦X<2)を含み、前記第2導電材は、2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が並んで結合したカーボンナノチューブ構造体;を含み、前記カーボンナノチューブ構造体は、前記第2負極活物質層内に0.01重量%~1.0重量%で含まれてよい。
A negative electrode according to the present invention includes a negative electrode current collector, a first negative electrode active material layer disposed on the negative electrode current collector, and a second negative electrode active material layer disposed on the first negative electrode active material layer, the second negative electrode active material layer including a second negative electrode active material and a second conductive material, the second negative electrode active material including a silicon-based active material, the silicon-based active material including SiO x (0≦X<2), the second conductive material including a carbon nanotube structure including 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units bonded in a row, and the carbon nanotube structure may be included in the second negative electrode active material layer in an amount of 0.01 wt % to 1.0 wt %.

前記負極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発することなく、導電性を有するものであればよく、特に制限されるものではない。例えば、前記負極集電体としては、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、又は、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用されてよい。具体的には、銅、ニッケルのような炭素をよく吸着する遷移金属を負極集電体として使用してよい。 The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it is conductive and does not induce chemical changes in the battery. For example, the negative electrode current collector may be made of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, baked carbon, or aluminum or stainless steel whose surface has been treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like. Specifically, a transition metal that easily adsorbs carbon, such as copper or nickel, may be used as the negative electrode current collector.

前記負極は、負極活物質層を含んでよい。前記負極活物質層は、前記負極集電体の一面又は両面上に配置されてよい。 The negative electrode may include a negative electrode active material layer. The negative electrode active material layer may be disposed on one or both sides of the negative electrode current collector.

前記負極活物質層は、第1負極活物質層及び第2負極活物質層を含んでよい。前記第1負極活物質層は、前記負極集電体上に配置されてよく、具体的には、前記負極集電体と接してよい。前記第2負極活物質層は、前記第1負極活物質層上に配置されてよく、前記第1負極活物質層は、前記第2負極活物質層と前記負極集電体との間に配置されてよい。 The negative electrode active material layer may include a first negative electrode active material layer and a second negative electrode active material layer. The first negative electrode active material layer may be disposed on the negative electrode current collector, specifically, may be in contact with the negative electrode current collector. The second negative electrode active material layer may be disposed on the first negative electrode active material layer, and the first negative electrode active material layer may be disposed between the second negative electrode active material layer and the negative electrode current collector.

一般的には、カーボンナノチューブを導電材として使用する場合、負極活物質層内で前記カーボンナノチューブを均一に配置させるためには、固形分の低いカーボンナノチューブ分散液を使用しなければならない。ただし、低い固形分を有するカーボンナノチューブ分散液を使用する場合、負極スラリーの乾燥時に、負極活物質に比べて相対的に低密度であるバインダーと導電材が負極活物質層の上層部(負極集電体から遠く、表面に近い側)に容易に傾く現象(傾き現象、migration)が発生して、負極接着力及び電気伝導度が大幅に低下する問題がある。一方、本発明の負極は、それぞれのスラリーとして順次配置された第1負極活物質層と第2負極活物質層とを有するので、前述したバインダー及び導電材の傾き現象を最小化することができる。これにより、電池の入/出力特性と寿命特性を改善することができる。 In general, when carbon nanotubes are used as a conductive material, a carbon nanotube dispersion liquid with a low solid content must be used to uniformly arrange the carbon nanotubes in the negative electrode active material layer. However, when a carbon nanotube dispersion liquid with a low solid content is used, when the negative electrode slurry is dried, the binder and conductive material, which have a relatively low density compared to the negative electrode active material, tend to easily tilt (migration) toward the upper layer of the negative electrode active material layer (the side farther from the negative electrode current collector and closer to the surface), resulting in a significant decrease in the negative electrode adhesive strength and electrical conductivity. On the other hand, the negative electrode of the present invention has a first negative electrode active material layer and a second negative electrode active material layer arranged in sequence as respective slurries, so that the tilt phenomenon of the binder and conductive material can be minimized. As a result, the input/output characteristics and life characteristics of the battery can be improved.

(1)第1負極活物質層
前記第1負極活物質層は、第1負極活物質を含んでよい。
(1) First Negative Electrode Active Material Layer The first negative electrode active material layer may include a first negative electrode active material.

前記第1負極活物質は、当該技術分野において一般的に使用される負極活物質であってよく、その種類が特に限定されるものではない。 The first negative electrode active material may be a negative electrode active material commonly used in the technical field, and the type is not particularly limited.

具体的には、前記第1負極活物質は、炭素系活物質及びシリコン系活物質のうちの少なくともいずれか一つを含んでよく、前記炭素系活物質粒子は、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化炭素繊維及び黒鉛化メソカーボンマイクロビードからなる群から選択される1種以上を使用してよく、特に、人造黒鉛を使用する場合、レート特性を改善することができる。前記シリコン系活物質は、SiO(0≦X<2)、Si-C複合体及びSi-Y合金(ここで、Yは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、第13族元素、第14族元素、希土類元素及びこれらの組み合わせからなる群から選択される元素である)からなる群から選択される1種以上を使用してよく、特に、SiO(0≦X<2)を使用する場合、電池の高容量を導出することができる。より具体的には、前記第1負極活物質は、炭素系活物質であってよい。 Specifically, the first negative electrode active material may include at least one of a carbon-based active material and a silicon-based active material, and the carbon-based active material particles may be one or more selected from the group consisting of artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, and graphitized mesocarbon microbeads, and in particular, when artificial graphite is used, the rate characteristics can be improved. The silicon-based active material may be one or more selected from the group consisting of SiO x (0≦X<2), Si-C composite, and Si-Y alloy (wherein Y is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, Group 13 elements, Group 14 elements, rare earth elements, and combinations thereof), and in particular, when SiO x (0≦X<2) is used, a high capacity of the battery can be derived. More specifically, the first negative electrode active material may be a carbon-based active material.

前記第1負極活物質は、第1負極活物質層内に70重量%~99.5重量%、好ましくは、80重量%~99重量%で含まれてよい。前記第1負極活物質の含量が前記範囲を満たすと、負極のエネルギー密度が改善し、負極接着力が増加し、負極内の電気伝導度を改善することができる。 The first negative electrode active material may be contained in the first negative electrode active material layer in an amount of 70% by weight to 99.5% by weight, preferably 80% by weight to 99% by weight. When the content of the first negative electrode active material satisfies this range, the energy density of the negative electrode is improved, the negative electrode adhesion is increased, and the electrical conductivity in the negative electrode is improved.

前記第1負極活物質層は、第1導電材をさらに含んでよい。 The first negative electrode active material layer may further include a first conductive material.

前記第1導電材は、カーボンナノチューブ構造体、マルチウォールカーボンナノチューブ単位体、グラフェン、及びカーボンブラックからなる群から選択される少なくともいずれか一つを含んでよい。前記カーボンナノチューブ構造体は、以下に詳しく説明する。 The first conductive material may include at least one selected from the group consisting of a carbon nanotube structure, a multi-walled carbon nanotube unit, graphene, and carbon black. The carbon nanotube structure will be described in detail below.

前記第1導電材は、前記第1負極活物質層内に0.01重量%~2.0重量%、具体的には、0.01重量%~1.5重量%、より具体的には、0.05重量%~1.0重量%で含まれてよい。前記範囲を満たすと、少ない第1導電材の含量の適用だけでも、負極の接着力と電気伝導度とを大幅に改善することができ、電池の入/出力特性と寿命特性に優れた電池を達成することができる。 The first conductive material may be included in the first negative electrode active material layer in an amount of 0.01 wt % to 2.0 wt %, specifically 0.01 wt % to 1.5 wt %, more specifically 0.05 wt % to 1.0 wt %. If this range is met, the adhesion and electrical conductivity of the negative electrode can be significantly improved even with only a small amount of the first conductive material, and a battery with excellent input/output characteristics and life characteristics can be achieved.

前記第1負極活物質層の厚さは、1μm~100μmであってよく、具体的には、5μm~90μm、より具体的には、10μm~80μmであってよい。前記範囲を満たすと、前述した導電材及びバインダーの傾き現象を最小化することができる。これにより、負極の接着力と電気伝導度とが大幅に改善し、電池の入/出力特性と寿命特性を改善することができる。 The thickness of the first negative electrode active material layer may be 1 μm to 100 μm, specifically 5 μm to 90 μm, more specifically 10 μm to 80 μm. When this range is satisfied, the aforementioned conductive material and binder tilt phenomenon can be minimized. As a result, the adhesive strength and electrical conductivity of the negative electrode are significantly improved, and the input/output characteristics and life characteristics of the battery can be improved.

(2)第2負極活物質層
前記第2負極活物質層は、第2負極活物質及び第2導電材を含んでよい。
(2) Second Negative Electrode Active Material Layer The second negative electrode active material layer may include a second negative electrode active material and a second conductive material.

前記第2負極活物質は、シリコン系活物質を含んでよい。 The second negative electrode active material may include a silicon-based active material.

前記シリコン系活物質は、SiO(0≦X<2)を含んでよい。前記SiO(0≦X<2)は、具体的には、SiOであってよい。第2負極活物質がSiO(0≦X<2)を含むので、電池の容量を改善することができる。特に、第1負極活物質層ではなく第2負極活物質層がSiO(0≦X<2)を含むので、負極の耐久性が向上し、電解液の含浸性を改善することができる。より具体的には、負極内で結着力が最も脆弱な負極集電体と負極活物質層との間の境界面では、電池の充電及び放電の際に、負極活物質の収縮と膨張により前記負極活物質が負極から容易に脱離される問題があり、前記負極集電体と近い側にSiO(0≦X<2)が位置する際に、前記脱離現象が加速化される。これにより、負極の耐久性が低下し、電池の容量及び寿命特性が劣化する。 The silicon-based active material may include SiOx (0 < x < 2). The SiOx (0 < x < 2) may be SiO. Since the second negative electrode active material includes SiOx (0 < x < 2), the capacity of the battery can be improved. In particular, since the second negative electrode active material layer includes SiOx (0 < x < 2) instead of the first negative electrode active material layer, the durability of the negative electrode is improved and the impregnation of the electrolyte can be improved. More specifically, at the interface between the negative electrode collector and the negative electrode active material layer, which has the weakest binding force in the negative electrode, there is a problem that the negative electrode active material is easily detached from the negative electrode due to contraction and expansion of the negative electrode active material during charging and discharging of the battery, and when SiOx (0 < x < 2) is located near the negative electrode collector, the detachment phenomenon is accelerated. This reduces the durability of the negative electrode, and the capacity and life characteristics of the battery are deteriorated.

一方、負極製造工程中の圧延時に、負極の表面付近の密度が非常に高くなり、これにより、電解液の含浸性が低下するが、前記負極の表面付近にSiO(0≦X<2)が位置するようになると、電池の初期充電の際に、SiO(0≦X<2)の体積膨張により負極の密度が適正水準に低下し、電解液の含浸性を改善することができる。 Meanwhile, when the negative electrode is rolled during the manufacturing process, the density near the surface of the negative electrode becomes very high, which reduces the impregnation of the electrolyte. However, when SiOx (0≦X<2) is located near the surface of the negative electrode, the volume expansion of SiOx (0≦X<2) during initial charging of the battery reduces the density of the negative electrode to an appropriate level, thereby improving the impregnation of the electrolyte.

前記シリコン系活物質は、SiO(0≦X<2)上に形成された炭素コーティング層をさらに含んでよい。前記炭素コーティング層は、前記SiO(0≦X<2)上に配置されてよい。前記炭素コーティング層は、前記SiO(0≦X<2)の導電性を改善し、前記SiO(0≦X<2)の過度な体積膨張を抑制する役割を果たす。 The silicon-based active material may further include a carbon coating layer formed on the SiO x (0≦X<2). The carbon coating layer may be disposed on the SiO x (0≦X<2). The carbon coating layer serves to improve the electrical conductivity of the SiO x (0≦X<2) and to suppress excessive volume expansion of the SiO x (0≦X<2).

前記炭素コーティング層は、非晶質炭素及び結晶質炭素のうちの少なくともいずれか一つを含んでよい。 The carbon coating layer may include at least one of amorphous carbon and crystalline carbon.

前記結晶質炭素は、前記負極活物質の導電性をより向上させ得る。前記結晶質炭素は、フラーレン、カーボンナノチューブ及びグラフェンからなる群から選択される少なくともいずれか一つを含んでよい。 The crystalline carbon can further improve the electrical conductivity of the negative electrode active material. The crystalline carbon may include at least one selected from the group consisting of fullerene, carbon nanotube, and graphene.

前記非晶質炭素は、前記コーティング層の強度を適切に維持させ、前記天然黒鉛の膨張を抑制させ得る。前記非晶質炭素は、タール、ピッチ及びその他有機物からなる群から選択される少なくともいずれか一つの炭化物、又は、炭化水素を化学気相蒸着法のソースとして用いて形成された炭素系物質であってよい。 The amorphous carbon can appropriately maintain the strength of the coating layer and suppress the expansion of the natural graphite. The amorphous carbon can be at least one carbide selected from the group consisting of tar, pitch, and other organic substances, or a carbon-based material formed by using a hydrocarbon as a source for chemical vapor deposition.

前記その他有機物の炭化物は、スクロース、グルコース、ガラクトース、フルクトース、ラクトース、マンノース、リボース、アルドヘキソース又はケトヘキソースの炭化物及びこれらの組み合わせから選択される有機物の炭化物であってよい。 The carbonized organic matter may be a carbonized organic matter selected from carbonized sucrose, glucose, galactose, fructose, lactose, mannose, ribose, aldohexose, or ketohexose, and combinations thereof.

前記炭化水素は、置換又は非置換の脂肪族又は脂環式炭化水素、置換又は非置換の芳香族炭化水素であってよい。前記置換又は非置換の脂肪族又は脂環式炭化水素の脂肪族又は脂環式炭化水素は、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、ブタン、ブテン、ペンテン、イソブテン又はヘキセンなどであってよい。前記置換又は非置換の芳香族炭化水素の芳香族炭化水素は、ベンゼン、トルエン、キシレン、スチレン、エチルベンゼン、ジフェニルメタン、ナフタレン、フェノール、クレゾール、ニトロベンゼン、クロロベンゼン、インデン、クマロン、ピリジン、アントラセン、又はフェナントレンなどが挙げられる。 The hydrocarbon may be a substituted or unsubstituted aliphatic or alicyclic hydrocarbon, or a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon. The aliphatic or alicyclic hydrocarbon of the substituted or unsubstituted aliphatic or alicyclic hydrocarbon may be methane, ethane, ethylene, acetylene, propane, butane, butene, pentene, isobutene, or hexene. The aromatic hydrocarbon of the substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon may be benzene, toluene, xylene, styrene, ethylbenzene, diphenylmethane, naphthalene, phenol, cresol, nitrobenzene, chlorobenzene, indene, coumarone, pyridine, anthracene, or phenanthrene.

前記シリコン系活物質の平均粒径(D50)は、0.1μm~20μmであってよく、具体的には、1μm~10μmであってよい。前記範囲を満たすと、前記SiO(0≦X<2)と電解液との間の副反応を抑制することができ、前記SiO(0≦X<2)からのリチウムシリケート形成反応が制御され、初期効率の低下を防止することができ、電池の初期容量を極大化することができる。 The average particle size (D 50 ) of the silicon-based active material may be 0.1 μm to 20 μm, specifically, 1 μm to 10 μm. When this range is satisfied, a side reaction between the SiO x (0≦X<2) and the electrolyte can be suppressed, and the reaction of forming lithium silicate from the SiO x (0≦X<2) can be controlled, thereby preventing a decrease in initial efficiency and maximizing the initial capacity of the battery.

前記第2負極活物質は、炭素系活物質をさらに含んでよい。前記炭素系活物質は、人造黒鉛、天然黒鉛、及び黒鉛化メソカーボンマイクロビードからなる群から選択される少なくともいずれか一つを含んでよい。具体的には、後述するカーボンナノチューブ構造体とともに、電気的ネットワークを維持しながら、負極の体積膨張を効果的に制御し得るという点で、前記炭素系活物質は、人造黒鉛であるものが好ましいが、これに限定されるものではない。 The second negative electrode active material may further include a carbon-based active material. The carbon-based active material may include at least one selected from the group consisting of artificial graphite, natural graphite, and graphitized mesocarbon microbeads. Specifically, the carbon-based active material is preferably artificial graphite, but is not limited thereto, in that it can effectively control the volume expansion of the negative electrode while maintaining an electrical network together with the carbon nanotube structure described below.

前記シリコン系活物質と前記炭素系活物質との重量比は、0.5:99.5~20:80であってよく、具体的には、1:99~10:90であってよい。前記範囲を満たすと、前記第2負極活物質の過度な体積膨張を抑制することができ、電池の容量を改善することができる。 The weight ratio of the silicon-based active material to the carbon-based active material may be 0.5:99.5 to 20:80, specifically 1:99 to 10:90. When this range is satisfied, excessive volume expansion of the second negative electrode active material can be suppressed, and the capacity of the battery can be improved.

前記第2負極活物質は、前記第2負極活物質層内に90重量%~99重量%で含まれてよく、具体的には、95重量%~99重量%で含まれてよい。前記範囲を満たすと、負極のエネルギー密度を高く維持することができ、負極の導電性及び負極接着力を改善することができる。 The second negative electrode active material may be contained in the second negative electrode active material layer at 90% by weight to 99% by weight, specifically, at 95% by weight to 99% by weight. When this range is satisfied, the energy density of the negative electrode can be maintained high, and the electrical conductivity and adhesive strength of the negative electrode can be improved.

前記第2導電材は、カーボンナノチューブ構造体をさらに含んでよい。 The second conductive material may further include a carbon nanotube structure.

前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体を含んでよい。具体的には、前記カーボンナノチューブ構造体は、2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が互いに並んで結合したカーボンナノチューブ構造体であってよい。よりさらに具体的には、前記第2負極活物質層の耐久性及び導電性ネットワークを考慮して、前記カーボンナノチューブ構造体は、2個~4,500個、好ましくは、2個~4,000個、より好ましくは、2個~200個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が互いに結合したカーボンナノチューブ構造体であってよい。前記カーボンナノチューブ構造体の分散性と負極の耐久性との向上を考慮して、前記カーボンナノチューブ構造体は、2個~50個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が互いに並んで配列されて結合したものであってよい。 The carbon nanotube structure may include a plurality of single-walled carbon nanotube units. Specifically, the carbon nanotube structure may be a carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are aligned and bonded to each other. More specifically, in consideration of the durability and conductive network of the second negative electrode active material layer, the carbon nanotube structure may be a carbon nanotube structure in which 2 to 4,500, preferably 2 to 4,000, more preferably 2 to 200 single-walled carbon nanotube units are aligned and bonded to each other. In consideration of improving the dispersibility of the carbon nanotube structure and the durability of the negative electrode, the carbon nanotube structure may be a carbon nanotube structure in which 2 to 50 single-walled carbon nanotube units are aligned and bonded to each other.

前記カーボンナノチューブ構造体内で、前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体が並んで配列され結合して(単位体の長軸が互いに平行に結合して柔軟性を有する束状の円筒状の構造)、前記カーボンナノチューブ構造体を形成するものであってよい。前記第2負極活物質層内で、前記カーボンナノチューブ構造体は、互いに連結されて網(network)構造を示してよい。 In the carbon nanotube structure, the single-walled carbon nanotube units may be arranged side by side and bonded together (the long axes of the units are bonded together in parallel to form a flexible bundled cylindrical structure) to form the carbon nanotube structure. In the second negative electrode active material layer, the carbon nanotube structures may be connected to each other to form a network structure.

カーボンナノチューブを含む従来の電極は、一般的にバンドル型(bundle type)又はエンタングル型(entangled type)カーボンナノチューブ(シングルウォールカーボンナノチューブ単位体又はマルチウォールカーボンナノチューブ単位体が互いに付いているか絡み合っている形態)を分散媒で分散させて導電材分散液を製造した後、前記導電材分散液を使用して製造される。この際、従来の導電材分散液内で、前記カーボンナノチューブは完全に分散され、一本状のカーボンナノチューブ単位体が分散された導電材分散液として存在する。前記従来の導電材分散液は、過度な分散工程により、前記カーボンナノチューブ単位体が容易に切断され、初期に対して短い長さを有するようになる。また、負極の圧延工程過程でも、前記カーボンナノチューブ単位体が容易に切断されることがあり、電池の駆動時にシリコン系活物質の過度な体積変化に従って前記カーボンナノチューブ単位体(特に、シングルウォールカーボンナノチューブ単位体)の切断される問題が追加的に発生する。これにより、負極の導電性が低下し、電池の寿命特性が低下する問題がある。さらに、マルチウォールカーボンナノチューブ単位体の場合、ノード成長(滑らかな線状ではなく、成長過程で発生する欠陥によりノードが存在)するメカニズムにより構造の欠陥が高い。したがって、分散過程中、前記マルチウォールカーボンナノチューブ単位体は、さらに容易に切断され、前記単位体の炭素によるπ-π相互作用(π-π stacking)により短く切断されたマルチウォールカーボンナノチューブ単位体が互いに凝集(aggregation)されやすい。これにより、負極スラリー内でさらに均一に分散されて存在しにくい。 Conventional electrodes including carbon nanotubes are generally prepared by dispersing bundle-type or entangled-type carbon nanotubes (single-walled carbon nanotube units or multi-walled carbon nanotube units attached or entangled with each other) in a dispersion medium to prepare a conductive material dispersion, and then using the conductive material dispersion. In this case, the carbon nanotubes are completely dispersed in the conventional conductive material dispersion, and exist as a conductive material dispersion in which single-stranded carbon nanotube units are dispersed. In the conventional conductive material dispersion, the carbon nanotube units are easily cut due to an excessive dispersion process, and have a short length compared to the initial length. In addition, the carbon nanotube units may be easily cut during the rolling process of the negative electrode, and there is an additional problem that the carbon nanotube units (especially single-walled carbon nanotube units) are cut due to excessive volume change of the silicon-based active material during the operation of the battery. As a result, the conductivity of the negative electrode is reduced, and the life characteristics of the battery are reduced. Furthermore, in the case of multi-walled carbon nanotube units, the structure has high defects due to the mechanism of node growth (nodes exist due to defects that occur during the growth process rather than smooth lines). Therefore, during the dispersion process, the multi-walled carbon nanotube units are more easily cut, and the short cut multi-walled carbon nanotube units are more likely to aggregate with each other due to π-π interaction (π-π stacking) between the carbons of the units. As a result, they are less likely to be uniformly dispersed in the negative electrode slurry.

これとは異なり、本発明の第2負極活物質層に含まれたカーボンナノチューブ構造体の場合、相対的に構造的欠陥なしに高い結晶性を維持するシングルウォールカーボンナノチューブ単位体2個~5,000個が互いに並んで配列されて結合したロープ状を有しているので、第2負極活物質の体積変化にも切断されることなく、長さを円滑に維持し得るので、電池の持続的な充放電過程でも、負極の導電性を維持することができる。また、高い結晶性を有するシングルウォールカーボンナノチューブ単位体の高い電気導電性に起因して、負極の導電性を高めて、負極の抵抗を低下させ、電池の入/出力特性、及び寿命特性を大幅に改善することができる。また、圧延時に直接圧力を受ける前記第2負極活物質層内で、前記カーボンナノチューブ構造体は互いに連結されて網構造を有し得るので、第2負極活物質の損傷(例えば、クラックなどの割れ現象)を抑制することができる。また、第2負極活物質にクラックが発生しても、前記カーボンナノチューブ構造体がクラックを横切って第2負極活物質を連結させるので、導電性ネットワークを維持することができる。さらに、カーボンナノチューブ構造体が容易に切断されることなく、長い形状を維持し得るので、第2負極活物質層全般にわたって導電性ネットワークを強化することができる。また、第2負極活物質の脱離が抑制され、負極接着力を大幅に向上することができる。 In contrast, in the case of the carbon nanotube structure included in the second negative electrode active material layer of the present invention, since it has a rope-like shape in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units that maintain high crystallinity relatively without structural defects are arranged side by side and connected to each other, it can smoothly maintain its length without being cut even when the volume of the second negative electrode active material changes, so that the conductivity of the negative electrode can be maintained even during continuous charging and discharging of the battery. In addition, due to the high electrical conductivity of the single-walled carbon nanotube units with high crystallinity, the conductivity of the negative electrode can be increased, the resistance of the negative electrode can be reduced, and the input/output characteristics and life characteristics of the battery can be significantly improved. In addition, in the second negative electrode active material layer that is directly subjected to pressure during rolling, the carbon nanotube structures can be connected to each other to form a network structure, so that damage to the second negative electrode active material (e.g., cracks and other cracking phenomena) can be suppressed. In addition, even if a crack occurs in the second negative electrode active material, the carbon nanotube structure crosses the crack to connect the second negative electrode active material, so that the conductive network can be maintained. Furthermore, since the carbon nanotube structure is not easily cut and can maintain its long shape, the conductive network can be strengthened throughout the second negative electrode active material layer. Also, detachment of the second negative electrode active material is suppressed, and the negative electrode adhesive strength can be significantly improved.

また、前記カーボンナノチューブ構造体が第2負極活物質層に含まれるので、前記第1負極活物質層と前記第2負極活物質層との間の接着力を大幅に改善することができる。カーボンナノチューブ構造体は、その内部のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体の水平的な結合により形成された長いロープ状に起因して、ファンデルワールス力により第2負極活物質を互いによく連結させ、負極を堅固に構成することができる。さらに、前記カーボンナノチューブ構造体と第1負極活物質層の炭素系活物質の表面は、同種の炭素間で発生するπ-π結合(stacking)により、より緊密に結合し得るので、前記第1負極活物質層と前記第2負極活物質層との間の接着力をより強化することができる。 In addition, since the carbon nanotube structure is included in the second negative electrode active material layer, the adhesive strength between the first negative electrode active material layer and the second negative electrode active material layer can be significantly improved. The carbon nanotube structure has a long rope shape formed by the horizontal bonding of the single-walled carbon nanotube units inside, and therefore the second negative electrode active material can be well connected to each other by van der Waals forces, thereby forming a strong negative electrode. Furthermore, the carbon nanotube structure and the surface of the carbon-based active material of the first negative electrode active material layer can be more tightly bonded due to π-π bonds (stacking) that occur between the same type of carbon, so that the adhesive strength between the first negative electrode active material layer and the second negative electrode active material layer can be further strengthened.

前記カーボンナノチューブ構造体において、前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体の平均直径は、0.5nm~10nmであってよく、具体的には、1nm~9nmであってよい。前記平均直径を満たすと、極少量の導電材の含量でも負極内の導電性を極大化できる効果がある。前記平均直径は、製造された負極をTEMを介して観察した時、直径の大きい上位100個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体と下位100個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体との平均値に該当する。 In the carbon nanotube structure, the average diameter of the single-walled carbon nanotube units may be 0.5 nm to 10 nm, specifically, 1 nm to 9 nm. If the average diameter is satisfied, the conductivity in the negative electrode can be maximized even with a very small amount of conductive material. The average diameter corresponds to the average value of the top 100 single-walled carbon nanotube units with the largest diameter and the bottom 100 single-walled carbon nanotube units with the smallest diameter when the manufactured negative electrode is observed through a TEM.

前記カーボンナノチューブ構造体において、前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体の平均長さは、1μm~100μmであってよく、具体的には、5μm~50μmであってよい。前記平均長さを満たすと、前記第2負極活物質間の導電性連結のための長い導電性経路が形成され得、特有の網構造が形成され得るので、極少量の導電材の含量でも負極内の導電性を極大化できる効果がある。前記平均長さは、製造された負極をTEMを介して観察した時、長さの大きい上位100個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体と下位100個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体との平均値に該当する。 In the carbon nanotube structure, the average length of the single-walled carbon nanotube units may be 1 μm to 100 μm, specifically, 5 μm to 50 μm. When the average length is satisfied, a long conductive path for conductive connection between the second negative electrode active materials may be formed, and a unique network structure may be formed, so that even with a very small amount of conductive material, the conductivity in the negative electrode can be maximized. The average length corresponds to the average value of the top 100 single-walled carbon nanotube units and the bottom 100 single-walled carbon nanotube units when the manufactured negative electrode is observed through a TEM.

前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体の比表面積は、500m/g~1,000m/gであってよく、具体的には、600m/g~800m/gであってよい。前記範囲を満たすと、広い比表面積により負極内の導電性経路が円滑に確保できるので、極少量の導電材の含量でも負極内の導電性を極大化できる効果がある。前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体の比表面積は、具体的には、BEL Japan社のBELSORP-mini IIを用いて液体窒素温度下(77K)での窒素ガス吸着量から算出され得る。 The specific surface area of the single-walled carbon nanotube unit may be 500 m 2 /g to 1,000 m 2 /g, and more specifically, 600 m 2 /g to 800 m 2 /g. If the range is satisfied, the wide specific surface area can smoothly secure a conductive path in the negative electrode, and therefore, even with a very small amount of conductive material, the conductivity in the negative electrode can be maximized. Specifically, the specific surface area of the single-walled carbon nanotube unit can be calculated from the nitrogen gas adsorption amount at liquid nitrogen temperature (77K) using BELSORP-mini II from BEL Japan.

前記カーボンナノチューブ構造体の平均直径は、2nm~500nmであってよく、具体的には、5nm~200nmであってよく、より具体的には、5nm~50nmであってよい。前記範囲を満たすと、導電性網構造(network)の形成に効果的であり、第2負極活物質間の連結に有利であり、優れた電気導電性を具現することができる。前記平均長さは、製造された負極をSEMを介して観察した時、直径の大きい上位100個のカーボンナノチューブ構造体と下位100個のカーボンナノチューブ構造体の直径の平均値に該当する。 The average diameter of the carbon nanotube structures may be 2 nm to 500 nm, specifically 5 nm to 200 nm, and more specifically 5 nm to 50 nm. When this range is satisfied, it is effective for forming a conductive network structure, is advantageous for connecting the second negative electrode active materials, and can realize excellent electrical conductivity. The average length corresponds to the average value of the diameters of the top 100 carbon nanotube structures with the largest diameters and the bottom 100 carbon nanotube structures when the manufactured negative electrode is observed through a SEM.

前記カーボンナノチューブ構造体の平均長さは、1μm~500μmであってよく、具体的には、1μm~100μmであってよく、より具体的には、2μm~50μmであってよい。前記範囲を満たすと、導電性ネットワーク(network)の形成に効果的であり、第2負極活物質間の連結に有利であり、優れた電気導電性を具現することができる。前記平均長さは、製造された負極をSEMを介して観察した時、長さの大きい上位100個のカーボンナノチューブ構造体と下位100個のカーボンナノチューブ構造体の長さの平均値に該当する。 The average length of the carbon nanotube structures may be 1 μm to 500 μm, specifically 1 μm to 100 μm, and more specifically 2 μm to 50 μm. When this range is satisfied, it is effective for forming a conductive network, is advantageous for connecting the second negative electrode active materials, and can realize excellent electrical conductivity. The average length corresponds to the average value of the lengths of the top 100 carbon nanotube structures and the bottom 100 carbon nanotube structures when the manufactured negative electrode is observed through a SEM.

前記カーボンナノチューブ構造体は、前記第2負極活物質層内に0.01重量%~1.0重量%で含まれてよく、具体的には、0.01重量%~0.5重量%で含まれてよく、より具体的には、0.01重量%~0.2重量%で含まれてよい。前記範囲を満たすと、第2負極活物質層の導電性経路が確保され、負極抵抗が低い水準を維持しながらも、電池の寿命特性を改善することができる。導電材分散液の製造時、バンドル型カーボンナノチューブを完全に分散(一般的な分散方法であって、最大限一本のカーボンナノチューブ単位体が互いに離れるように分散)する場合には、前記カーボンナノチューブ構造体が発生しないか、意図せずに発生しても非常に少ない量(例えば、0.0005重量%)で発生するようになる。すなわち、前記含量の範囲は、一般的な方法では決して達成できない。前記カーボンナノチューブ構造体は、2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が互いに並んで配列されて結合した形態を有しているので、第2負極活物質の体積変化にも前記カーボンナノチューブ構造体は切断されることなく、長さを円滑に維持することができる。したがって、第2負極活物質層の導電性ネットワークを維持することができ、カーボンナノチューブ構造体が有する高い導電性に起因して、第2負極活物質層の導電性を円滑に確保することができる。これにより、第2負極活物質層内で、カーボンナノチューブ構造体の含量が低い水準であっても、電池の入/出力特性及び寿命特性に優れている可能性がある。 The carbon nanotube structure may be included in the second negative electrode active material layer at 0.01 wt % to 1.0 wt %, specifically at 0.01 wt % to 0.5 wt %, and more specifically at 0.01 wt % to 0.2 wt %. When this range is satisfied, the conductive path of the second negative electrode active material layer is secured, and the negative electrode resistance can be maintained at a low level while improving the battery life characteristics. When the bundled carbon nanotubes are completely dispersed (a typical dispersion method in which the carbon nanotube units are dispersed as far apart as possible) during the preparation of the conductive material dispersion liquid, the carbon nanotube structure does not occur or, even if it does occur unintentionally, it occurs in a very small amount (e.g., 0.0005 wt %). In other words, the above content range cannot be achieved by a typical method. The carbon nanotube structure has a configuration in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are arranged and bonded to each other, so that the carbon nanotube structure is not broken even when the volume of the second negative electrode active material changes, and the length can be smoothly maintained. Therefore, the conductive network of the second negative electrode active material layer can be maintained, and the conductivity of the second negative electrode active material layer can be smoothly secured due to the high conductivity of the carbon nanotube structure. As a result, even if the content of the carbon nanotube structure in the second negative electrode active material layer is low, the input/output characteristics and life characteristics of the battery may be excellent.

一方、場合によっては、前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体は、分散剤との親和性の向上のために、酸化処理又は窒化処理などにより表面処理されたものであってよい。 On the other hand, in some cases, the single-walled carbon nanotube unit may be surface-treated by oxidation or nitridation to improve its affinity with the dispersant.

前記第2導電材は、フラーレン、カーボンブラック、カーボンナノチューブ単位体、及びグラフェンからなる群から選択される少なくともいずれか一つをさらに含んでよい。この場合、前記物質と前記カーボンナノチューブ構造体の複合適用により、1次元的な線状導電性ネットワークが2次元以上の導電性ネットワークになり得るので、第2負極活物質層の導電性が改善し、電池の入/出力特性及び寿命特性を改善することができる。 The second conductive material may further include at least one selected from the group consisting of fullerene, carbon black, carbon nanotube units, and graphene. In this case, the one-dimensional linear conductive network can become a two-dimensional or higher conductive network by the combined application of the material and the carbon nanotube structure, thereby improving the conductivity of the second negative electrode active material layer and improving the input/output characteristics and life characteristics of the battery.

前記第2負極活物質層の厚さは、1μm~100μmであってよく、具体的には、5μm~90μm、より具体的には、10μm~80μmであってよい。前記範囲を満たすと、前述した導電材及びバインダー傾き現象を最小化することができる。これにより、負極の接着力(負極活物質層と集電体との接着力)、第1負極活物質層と第2負極活物質層との接着力、負極の電気伝導度を大幅に改善し、電池の入/出力特性と寿命特性を改善することができる。 The thickness of the second negative electrode active material layer may be 1 μm to 100 μm, specifically 5 μm to 90 μm, more specifically 10 μm to 80 μm. When this range is satisfied, the aforementioned conductive material and binder tilt phenomenon can be minimized. As a result, the adhesion of the negative electrode (the adhesion between the negative electrode active material layer and the current collector), the adhesion between the first negative electrode active material layer and the second negative electrode active material layer, and the electrical conductivity of the negative electrode can be significantly improved, and the input/output characteristics and life characteristics of the battery can be improved.

前記第2負極活物質層の厚さは、前記第1負極活物質層の厚さ以上であることが好ましい。前記第1負極活物質層の厚さ及び前記第2負極活物質層の厚さの比は、10:90~50:50であってよく、具体的には、20:80~50:50であってよく、より具体的には、25:75~50:50であってよい。前記範囲を満たさない場合、前述した導電材及びバインダー傾き現象(migration)の抑制の効果が低下し、第2負極活物質層の空隙率(Porosity)の改善による拡散抵抗の改善の効果が減少することになる。第1負極活物質層の厚さが前記範囲から外れて非常に薄い場合にも、前述した導電材及びバインダー傾き現象の抑制の効果が低下し、負極接着力の改善と界面抵抗の改善の効果が薄れることになる。 The thickness of the second negative electrode active material layer is preferably equal to or greater than the thickness of the first negative electrode active material layer. The ratio of the thickness of the first negative electrode active material layer to the thickness of the second negative electrode active material layer may be 10:90 to 50:50, specifically 20:80 to 50:50, and more specifically 25:75 to 50:50. If the above range is not satisfied, the effect of suppressing the migration of the conductive material and binder described above will be reduced, and the effect of improving the diffusion resistance due to the improvement of the porosity of the second negative electrode active material layer will be reduced. If the thickness of the first negative electrode active material layer is very thin outside the above range, the effect of suppressing the migration of the conductive material and binder described above will be reduced, and the effects of improving the negative electrode adhesion and the interface resistance will be weakened.

前記第1負極活物質層と前記第2負極活物質層との間には境界面が存在する。これは、製造された負極の断面により確認することができる。それに対して、もし前記負極活物質層を多層構造ではなく単層構造で(一つの負極スラリーを介して一回の塗布のみ遂行)形成する場合、前記境界面は観察されない。 An interface exists between the first negative electrode active material layer and the second negative electrode active material layer. This can be confirmed by a cross-section of the manufactured negative electrode. In contrast, if the negative electrode active material layer is formed as a single layer structure (a single coating is performed using one negative electrode slurry) rather than a multi-layer structure, the interface is not observed.

前記第1負極活物質層及び前記第2負極活物質層は、それぞれバインダーをさらに含んでよく、前記第1負極活物質層のバインダーと前記第2負極活物質層のバインダーとは同一であっても異なってもよい。前記バインダーは、負極活物質間又は負極活物質と集電体との接着力を確保するためのものとして、当該技術分野において使用される一般的なバインダーが使用されてよく、その種類が特に限定されるものではない。前記バインダーとしては、例えば、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(PVDF-co-HFP)、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、カルボキシメチルセルロース(carboxymethyl cellulose:CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム、又はこれらの多様な共重合体などが挙げられ、これらのうち一種単独又は二種以上の混合物が使用されてよい。 The first negative electrode active material layer and the second negative electrode active material layer may each further include a binder, and the binder of the first negative electrode active material layer and the binder of the second negative electrode active material layer may be the same or different. The binder may be a general binder used in the technical field to ensure adhesion between the negative electrode active materials or between the negative electrode active material and the current collector, and the type of the binder is not particularly limited. Examples of the binder include vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated EPDM, carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, and various copolymers thereof, and one or more of these may be used alone or in combination.

前記バインダーは、第1負極活物質層(又は、第2負極活物質層)内に10重量%以下で含まれてよく、好ましくは、0.1重量%~5重量%で含まれてよい。バインダーの含量が前記範囲を満たすと、負極抵抗の増加を最小化しながら、優れた負極接着力を具現することができる。 The binder may be included in the first negative electrode active material layer (or the second negative electrode active material layer) in an amount of 10 wt % or less, preferably 0.1 wt % to 5 wt %. When the binder content is within this range, it is possible to realize excellent negative electrode adhesion while minimizing an increase in negative electrode resistance.

負極の製造方法
次に、本発明の負極の製造方法について説明する。
Method for Producing the Negative Electrode Next, a method for producing the negative electrode of the present invention will be described.

本発明の負極の製造方法は、第1負極スラリー及び第2負極スラリーを準備する段階;前記第1負極スラリーを介して負極集電体上に第1負極活物質層を形成する段階;及び前記第2負極スラリーを介して前記第1負極活物質層上に第2負極活物質層を形成する段階;を含み、前記第2負極スラリーは、第2負極活物質;及び第2導電材を含み、前記第2負極活物質は、シリコン系活物質を含み、前記シリコン系活物質は、SiO(0≦X<2)を含み、前記第2導電材は、2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が並んで結合したカーボンナノチューブ構造体;を含み、前記カーボンナノチューブ構造体は、前記第2負極活物質層内に0.01重量%~1.0重量%で含まれてよい。前記第1負極活物質層、第2負極活物質層、第2負極活物質、第2導電材、カーボンナノチューブ構造体は、前述した実施形態のそれらと同様である。 The method for manufacturing a negative electrode of the present invention includes the steps of preparing a first negative electrode slurry and a second negative electrode slurry; forming a first negative electrode active material layer on a negative electrode current collector using the first negative electrode slurry; and forming a second negative electrode active material layer on the first negative electrode active material layer using the second negative electrode slurry; the second negative electrode slurry includes a second negative electrode active material; and a second conductive material, the second negative electrode active material includes a silicon-based active material, the silicon-based active material includes SiO x (0≦X<2), and the second conductive material includes a carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bonded in a line; and the carbon nanotube structure may be included in the second negative electrode active material layer in an amount of 0.01 wt % to 1.0 wt %. The first negative electrode active material layer, the second negative electrode active material layer, the second negative electrode active material, the second conductive material, and the carbon nanotube structure are the same as those in the above-mentioned embodiments.

(1)第1負極スラリー及び第2負極スラリーを準備する段階
第1負極スラリーは、通常の負極スラリーの製造方法と同一であってよい。例えば、第1負極活物質(前述した実施形態の第1負極活物質と同一)、第1導電材(前述した実施形態の第1導電材と同一)、及び溶媒を含む(バインダーがさらに含まれてもよい)混合物を準備した後、前記混合物を撹拌して第1負極スラリーを準備する。
(1) Preparing First Negative Electrode Slurry and Second Negative Electrode Slurry The first negative electrode slurry may be prepared in the same manner as in a typical negative electrode slurry preparation method. For example, a mixture including a first negative electrode active material (same as the first negative electrode active material of the above-described embodiment), a first conductive material (same as the first conductive material of the above-described embodiment), and a solvent (which may further include a binder) is prepared, and the mixture is stirred to prepare the first negative electrode slurry.

ただし、前記第1負極スラリーがカーボンナノチューブ構造体を含む場合、後述するカーボンナノチューブ構造体分散液が準備されなければならない。 However, if the first negative electrode slurry contains carbon nanotube structures, a carbon nanotube structure dispersion liquid described below must be prepared.

前記溶媒としては、例えば、水、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N-メチルピロリドン(NMP)などのアミド系極性有機溶媒;メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール(イソプロピルアルコール)、1-ブタノール(n-ブタノール)、2-メチル-1-プロパノール(イソブタノール)、2-ブタノール(sec-ブタノール)、1-メチル-2-プロパノール(tert-ブタノール)、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、又はオクタノールなどのアルコール類;エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、1,3-プロパンジオール、1,3-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、又は、ヘキシレングリコールなどのグリコール類;グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、又は、ソルビトールなどの多価アルコール類;エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、テトラエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、又は、テトラエチレングリコールモノブチルエーテルなどのグリコールエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、又は、シクロペンタノンなどのケトン類;酢酸エチル、γ-ブチロラクトン、及び、ε-プロピオラクトンなどのエステル類などが挙げられ、これらのいずれか一つ又は二つ以上の混合物が使用されてよいが、これに限定されるものではない。前記溶媒は、導電材分散液に使用される分散媒と同一であるか異なってよく、好ましくは、水であってよい。 Examples of the solvent include water, dimethylformamide (DMF), diethylformamide, dimethylacetamide (DMAc), and N-methylpyrrolidone (NMP) and other amide-based polar organic solvents; methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol (isopropyl alcohol), 1-butanol (n-butanol), 2-methyl-1-propanol (isobutanol), 2-butanol (sec-butanol), 1-methyl-2-propanol (tert-butanol), pentanol, hexanol, heptanol, and octanol; glycols such as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 1,5-pentanediol, and hexylene glycol; and various solvents such as glycerin, trimethylolpropane, pentaerythritol, and sorbitol. Examples of the solvent include, but are not limited to, hydric alcohols; glycol ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, tetraethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, triethylene glycol monoethyl ether, tetraethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, and tetraethylene glycol monobutyl ether; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, and cyclopentanone; esters such as ethyl acetate, γ-butyrolactone, and ε-propiolactone, and any one or a mixture of two or more of these may be used. The solvent may be the same as or different from the dispersion medium used in the conductive material dispersion, and may be preferably water.

第2負極スラリーは、第2負極活物質、カーボンナノチューブ構造体分散液、及び溶媒を含む混合物を準備した後、前記混合物を撹拌して準備されてよい。 The second negative electrode slurry may be prepared by preparing a mixture containing the second negative electrode active material, a carbon nanotube structure dispersion liquid, and a solvent, and then stirring the mixture.

前記カーボンナノチューブ構造体分散液は、次のように準備されてよい。 The carbon nanotube structure dispersion may be prepared as follows:

前記カーボンナノチューブ構造体分散液の準備は、分散媒、分散剤、及びバンドル型シングルウォールカーボンナノチューブ(シングルウォールカーボンナノチューブ単位体の結合体ないし凝集体)が含まれた混合液を準備する段階(S1-1);及び前記混合液にせん断力を加え、前記バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブを分散させて、2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が並んで結合したカーボンナノチューブ構造体を形成する段階(S1-2);を含んでよい。 The preparation of the carbon nanotube structure dispersion may include the steps of: preparing a mixture containing a dispersion medium, a dispersant, and bundled single-walled carbon nanotubes (a combination or aggregate of single-walled carbon nanotube units) (S1-1); and applying a shear force to the mixture to disperse the bundled single-walled carbon nanotubes and form a carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bound together in a line (S1-2).

前記S1-1段階において、前記混合液は、バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブ及び分散剤を分散媒に投入して製造されてよい。前記バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブは、前述したシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が結合して束状で存在するものであって、通常2個以上、実質的に500個以上、例えば、5,000個以上のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体を含む。 In step S1-1, the mixture may be prepared by adding bundled single-walled carbon nanotubes and a dispersant to a dispersion medium. The bundled single-walled carbon nanotubes are formed by combining the above-mentioned single-walled carbon nanotube units into a bundle, and typically contain 2 or more, substantially 500 or more, for example, 5,000 or more single-walled carbon nanotube units.

前記バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブの比表面積は、500m/g~1,200m/gであってよく、具体的には、500m/g~1,000m/gであってよい。前記範囲を満たすと、広い比表面積により第2負極活物質層内の導電性経路を円滑に確保することができるので、極少量の導電材含量であっても第2負極活物質層内の導電性を極大化できる効果がある。また、第1負極活物質層と第2負極活物質層との接着力を強化するために、500m/g~800m/gであることが好ましい。 The specific surface area of the bundled single-walled carbon nanotubes may be 500 m 2 /g to 1,200 m 2 /g, specifically, 500 m 2 /g to 1,000 m 2 /g. If the range is satisfied, the large specific surface area can smoothly secure a conductive path in the second negative electrode active material layer, and therefore, even if the conductive material content is very small, the conductivity in the second negative electrode active material layer can be maximized. In addition, in order to strengthen the adhesive strength between the first negative electrode active material layer and the second negative electrode active material layer, the specific surface area is preferably 500 m 2 /g to 800 m 2 /g.

前記バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブは、前記混合液内に0.1重量%~1.0重量%で含まれてよく、具体的には、0.2重量%~0.5重量%で含まれてよい。前記範囲を満たすと、前記バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブが適正水準に分散され、適正水準のカーボンナノチューブ構造体を形成することができ、分散安定性を改善することができる。 The bundled single-walled carbon nanotubes may be contained in the mixture at 0.1% to 1.0% by weight, specifically 0.2% to 0.5% by weight. When this range is satisfied, the bundled single-walled carbon nanotubes are dispersed at an appropriate level, a carbon nanotube structure at an appropriate level can be formed, and dispersion stability can be improved.

前記分散媒としては、例えば、水、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N-メチルピロリドン(NMP)などのアミド系極性有機溶媒;メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール(イソプロピルアルコール)、1-ブタノール(n-ブタノール)、2-メチル-1-プロパノール(イソブタノール)、2-ブタノール(sec-ブタノール)、1-メチル-2-プロパノール(tert-ブタノール)、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、又はオクタノールなどのアルコール類;エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、1,3-プロパンジオール、1,3-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、又は、ヘキシレングリコールなどのグリコール類;グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、又は、ソルビトールなどの多価アルコール類;エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、テトラエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、又は、テトラエチレングリコールモノブチルエーテルなどのグリコールエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、又は、シクロペンタノンなどのケトン類;酢酸エチル、γ-ブチロラクトン、及び、ε-プロピオラクトンなどのエステル類などが挙げられ、これらのいずれか一つ又は二つ以上の混合物が使用されてよいが、これに限定されるものではない。より具体的には、前記分散媒は、前記負極スラリー製造用溶媒と同一であるか異なってよく、好ましくは、水であってよい。 Examples of the dispersion medium include water, amide polar organic solvents such as dimethylformamide (DMF), diethylformamide, dimethylacetamide (DMAc), and N-methylpyrrolidone (NMP); alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol (isopropyl alcohol), 1-butanol (n-butanol), 2-methyl-1-propanol (isobutanol), 2-butanol (sec-butanol), 1-methyl-2-propanol (tert-butanol), pentanol, hexanol, heptanol, and octanol; glycols such as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 1,5-pentanediol, and hexylene glycol; and various solvents such as glycerin, trimethylolpropane, pentaerythritol, and sorbitol. Examples of the dispersing medium include, but are not limited to, glycol ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, tetraethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, triethylene glycol monoethyl ether, tetraethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, and tetraethylene glycol monobutyl ether; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, and cyclopentanone; esters such as ethyl acetate, γ-butyrolactone, and ε-propiolactone, and any one or a mixture of two or more of these may be used. More specifically, the dispersing medium may be the same as or different from the solvent for producing the negative electrode slurry, and may be preferably water.

前記分散剤は、水素化ニトリルブタジエンゴム、ポリビニリデンフルオライド、ポリスチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ピレン酪酸、ピレンスルホン酸、タンニン酸、ピレンメチルアミン、ドデシル硫酸ナトリウム、及びカルボキシメチルセルロースの少なくともいずれか一つを含んでよく、具体的には、カルボキシメチルセルロース、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルピロリドン、又は水素化ニトリルブタジエンゴムであってよい。 The dispersant may include at least one of hydrogenated nitrile butadiene rubber, polyvinylidene fluoride, polystyrene, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, pyrene butyric acid, pyrene sulfonic acid, tannic acid, pyrene methylamine, sodium dodecyl sulfate, and carboxymethyl cellulose, and may be specifically carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride, polyvinylpyrrolidone, or hydrogenated nitrile butadiene rubber.

前記カーボンナノチューブ構造体分散液内で、前記バンドル型カーボンナノチューブと前記分散剤との重量比は、1:0.1~1:10であってよく、具体的には、1:1~1:10であってよい。前記範囲を満たすと、前記バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブが適正水準に分散され、適正水準のカーボンナノチューブ構造体を形成することができ、分散安定性を改善することができる。 In the carbon nanotube structure dispersion, the weight ratio of the bundled carbon nanotubes to the dispersant may be 1:0.1 to 1:10, specifically 1:1 to 1:10. When this range is satisfied, the bundled single-walled carbon nanotubes are dispersed to an appropriate level, a carbon nanotube structure of an appropriate level can be formed, and dispersion stability can be improved.

前記混合液内で固形分の含量は、0.1重量%~20重量%であってよく、具体的には、1重量%~10重量%であってよい。前記範囲を満たすと、前記バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブが適正水準に分散され、適正水準のカーボンナノチューブ構造体を形成することができ、分散安定性を改善することができる。また、第2負極スラリー(第2負極活物質層製造用スラリー)が第2負極活物質層の形成に好適な粘度と弾性を有することができ、第2負極スラリーの固形分の含量を高めることにも寄与する。 The solid content in the mixture may be 0.1% by weight to 20% by weight, specifically 1% by weight to 10% by weight. When this range is satisfied, the bundled single-walled carbon nanotubes are dispersed at an appropriate level, a carbon nanotube structure of an appropriate level can be formed, and dispersion stability can be improved. In addition, the second negative electrode slurry (slurry for manufacturing the second negative electrode active material layer) can have viscosity and elasticity suitable for forming the second negative electrode active material layer, which also contributes to increasing the solid content of the second negative electrode slurry.

前記S1-2段階において、前記混合液内で前記バンドル型カーボンナノチューブを分散させる工程は、ホモジナイザー、ビーズミル、ボールミル、バスケットミル、アトリションミル、万能攪拌機、クリアミキサー、スパイクミル、TKミキサー、又は超音波分散(sonification)装置などのような混合装置を用いて行われてよい。その中でも、カーボンナノチューブ構造体の直径の大きさを精密に制御することができ、カーボンナノチューブ構造体の均一な分布を達成することができ、費用の側面で利点があるという点で、ビーズミル(beadsmill)方式が好ましい。 In step S1-2, the process of dispersing the bundle-type carbon nanotubes in the mixture may be performed using a mixing device such as a homogenizer, a bead mill, a ball mill, a basket mill, an attrition mill, a universal mixer, a clear mixer, a spike mill, a TK mixer, or an ultrasonic dispersion (sonification) device. Among them, the bead mill method is preferred since it can precisely control the diameter size of the carbon nanotube structure, can achieve uniform distribution of the carbon nanotube structure, and has an advantage in terms of cost.

前記ビーズミル方式は、次のとおりであってよい。前記混合液をビーズ(bead)などが含まれた容器に入れ、前記容器を回転させて前記バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブを分散させることができる。 The bead mill method may be as follows: The mixture is placed in a container containing beads, etc., and the container is rotated to disperse the bundled single-walled carbon nanotubes.

ここで、前記ビーズミル方式が行われる条件は、次のとおりである。 Here, the conditions under which the bead mill method is carried out are as follows:

前記ビーズの平均粒径は、0.5mm~1.5mmであってよく、具体的には、0.5mm~1.0mmであってよい。前記範囲を満たすと、分散工程中のカーボンナノチューブ構造体が切断されることなく、直径の大きさを適切に制御することができ、均一な組成の分散溶液を製造することができる。 The average particle size of the beads may be 0.5 mm to 1.5 mm, specifically 0.5 mm to 1.0 mm. If this range is met, the carbon nanotube structure will not be cut during the dispersion process, the diameter size can be appropriately controlled, and a dispersion solution with a uniform composition can be produced.

前記容器の回転速度は、500RPM~10,000RPMであってよく、具体的には、2,000RPM~6,000RPMであってよい。前記範囲を満たすと、分散工程中のカーボンナノチューブ構造体が切断されることなく、直径の大きさを適切に制御することができ、均一な組成の分散溶液を製造することができる。 The rotation speed of the container may be 500 RPM to 10,000 RPM, specifically 2,000 RPM to 6,000 RPM. If this range is met, the carbon nanotube structures will not be cut during the dispersion process, the diameter size can be appropriately controlled, and a dispersion solution with a uniform composition can be produced.

前記ビーズミルが行われる時間は、0.5時間~2時間であってよく、具体的には、0.5時間~1.5時間であってよく、より具体的には、0.8時間~1時間であってよい。前記範囲を満たすと、分散工程中のカーボンナノチューブ構造体が切断されることなく、直径の大きさを適切に制御することができ、均一な組成の分散溶液を製造することができる。前記ビーズミル遂行時間は、ビーズミルが適用される総時間を意味するので、例えば、数回のビーズミルを行ったら、その数回にわたった総時間を意味する。 The time for which the bead mill is performed may be 0.5 hours to 2 hours, specifically 0.5 hours to 1.5 hours, and more specifically 0.8 hours to 1 hour. If this range is satisfied, the carbon nanotube structures are not cut during the dispersion process, and the diameter size can be appropriately controlled, making it possible to produce a dispersion solution with a uniform composition. The bead mill performance time means the total time the bead mill is applied, so for example, if the bead mill is performed several times, it means the total time over those several times.

前記ビーズミル条件は、バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブを適正水準に分散させるためのものであって、具体的には、前記バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブが一本のシングルウォールカーボンナノチューブに完全に分散する場合を除く。すなわち、前記ビーズミル条件は、前記バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブが適正水準に分散され、製造されたカーボンナノチューブ構造体分散液内で2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が互いに並んで結合しているカーボンナノチューブ構造体を形成するためのものである。これは、混合液の組成、分散工程(例えば、ビーズミル工程)の条件などが厳格に調節される場合においてのみ達成され得る。 The bead mill conditions are for dispersing the bundled single-walled carbon nanotubes to an appropriate level, specifically excluding the case where the bundled single-walled carbon nanotubes are completely dispersed into a single single-walled carbon nanotube. In other words, the bead mill conditions are for dispersing the bundled single-walled carbon nanotubes to an appropriate level, and forming a carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bonded to each other in a line in the produced carbon nanotube structure dispersion liquid. This can only be achieved when the composition of the mixture liquid, the conditions of the dispersion process (e.g., the bead mill process), etc. are strictly controlled.

前記過程により、カーボンナノチューブ構造体分散液が形成され得る。 By the above process, a carbon nanotube structure dispersion can be formed.

前記負極スラリー(第1負極スラリー及び第2負極スラリー)には、必要に応じて、バインダーがさらに含まれてよい。ここで、前記バインダーとしては、前述した実施形態のバインダーが使用されてよい。 The negative electrode slurries (first negative electrode slurry and second negative electrode slurry) may further include a binder as necessary. Here, the binder may be the binder of the above-mentioned embodiment.

(2)前記第1負極スラリーを介して負極集電体上に第1負極活物質層を形成する段階及び前記第2負極スラリーを介して前記第1負極活物質層上に第2負極活物質層を形成する段階
次に、前記のように製造された第1負極スラリーを介して第1負極活物質層を形成する。具体的には、前記第1負極活物質層は、負極集電体上に第1負極スラリーを塗布した後、乾燥する方法、又は、第1負極スラリーを別途の支持体上に塗布した後、この支持体から剥離して得たフィルムを負極集電体上にラミネーションする方法により形成してよい。必要に応じて、前記のような方法により第1負極活物質層を形成した後、圧延する工程をさらに実施してよい。この際、乾燥及び圧延を最終的に製造しようとする負極の物性を考慮して、適切な条件で行われてよく、特に限定されない。
(2) Forming a first negative electrode active material layer on a negative electrode current collector using the first negative electrode slurry and forming a second negative electrode active material layer on the first negative electrode active material layer using the second negative electrode slurry. Next, a first negative electrode active material layer is formed using the first negative electrode slurry prepared as described above. Specifically, the first negative electrode active material layer may be formed by applying the first negative electrode slurry on a negative electrode current collector and then drying it, or by applying the first negative electrode slurry on a separate support and then peeling it off from the support to obtain a film and laminating it on the negative electrode current collector. If necessary, a rolling process may be further performed after forming the first negative electrode active material layer using the above method. In this case, the drying and rolling may be performed under appropriate conditions in consideration of the physical properties of the negative electrode to be finally manufactured, and are not particularly limited.

その後、前記のように製造された第2負極スラリーを介して第2負極活物質層を形成する。具体的には、前記第2負極活物質層は、前記第1負極活物質層上に第2負極スラリーを塗布した後、乾燥する方法、又は、第2負極スラリーを別途の支持体上に塗布した後、この支持体から剥離して得たフィルムを前記第1負極活物質層上にラミネーションする方法により形成してよい。必要に応じて、前記のような方法により第2負極活物質層を形成した後、圧延する工程をさらに実施してよい。この際、乾燥及び圧延を最終的に製造しようとする負極の物性を考慮して、適切な条件で行われてよく、特に限定されない。 Then, the second negative electrode active material layer is formed using the second negative electrode slurry prepared as described above. Specifically, the second negative electrode active material layer may be formed by applying the second negative electrode slurry onto the first negative electrode active material layer and then drying it, or by applying the second negative electrode slurry onto a separate support and then peeling it off from the support to obtain a film, which is then laminated onto the first negative electrode active material layer. If necessary, after forming the second negative electrode active material layer by the above method, a rolling process may be further performed. In this case, the drying and rolling may be performed under appropriate conditions in consideration of the physical properties of the negative electrode to be finally manufactured, and are not particularly limited.

二次電池
次に、本発明の他の実施形態による二次電池について説明する。
Secondary Battery Next, a secondary battery according to another embodiment of the present invention will be described.

本発明の他の実施形態による二次電池は、前述した実施形態の負極を含んでよい。 A secondary battery according to another embodiment of the present invention may include the negative electrode of the above-described embodiment.

具体的には、前記二次電池は、前記負極、正極、前記正極及び負極の間に介在した分離膜、及び電解質を含んでよく、前記負極は、前述した実施形態の負極と同一である。前記負極については前述したので、具体的な説明は省略する。 Specifically, the secondary battery may include the negative electrode, the positive electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, and the negative electrode is the same as the negative electrode in the above-mentioned embodiment. The negative electrode has been described above, so a detailed description thereof will be omitted.

前記正極は、正極集電体及び前記正極集電体上に形成され、前記正極活物質を含む正極活物質層を含んでよい。 The positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector and including the positive electrode active material.

前記正極において、正極集電体は、電池に化学的変化を誘発することなく、導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、又はアルミニウムやステンレス鋼の表面に、炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用されてよい。また、前記正極集電体は、通常3μm~500μmの厚さを有してよく、前記集電体の表面上に微細な凹凸を形成することにより、正極活物質の接着力を高めることもできる。例えば、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で使用されてよい。 In the positive electrode, the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is conductive and does not induce chemical changes in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, baked carbon, or aluminum or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used. The positive electrode current collector may usually have a thickness of 3 μm to 500 μm, and the adhesive strength of the positive electrode active material can be increased by forming fine irregularities on the surface of the current collector. For example, it may be used in various forms such as a film, sheet, foil, net, porous body, foam, nonwoven fabric, etc.

前記正極活物質は、通常使用される正極活物質であってよい。具体的には、前記正極活物質は、リチウムコバルト酸化物(LiCoO)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO)などの層状化合物や、一つ又はそれ以上の遷移金属で置換された化合物;LiFeなどのリチウム鉄酸化物;化学式Li1+c1Mn2-c1(0≦c1≦0.33)、LiMnO、LiMn、LiMnOなどのリチウムマンガン酸化物;リチウム銅酸化物(LiCuO);LiV、V、Cuなどのバナジウム酸化物;化学式LiNi1-c2c2(ここで、Mは、Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B及びGaからなる群から選択された少なくともいずれか一つであり、0.01≦c2≦0.3を満たす)で表現されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物;化学式LiMn2-c3c3(ここで、Mは、Co、Ni、Fe、Cr、Zn及びTaからなる群から選択された少なくともいずれか一つであり、0.01≦c3≦0.1を満たす)又は、LiMnMO(ここで、Mは、Fe、Co、Ni、Cu及びZnからなる群から選択された少なくともいずれか一つである。)で表現されるリチウムマンガン複合酸化物;化学式のLiの一部がアルカリ土類金属イオンで置換されたLiMnなどが挙げられるが、これらのみに限定されるものではない。前記正極は、Li-metalであってよい。 The positive electrode active material may be a commonly used positive electrode active material. Specifically, the positive electrode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; a lithium iron oxide such as LiFe 3 O 4 ; a lithium manganese oxide such as LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , or LiMnO 2 having the chemical formula Li 1+c1 Mn 2-c1 O 4 (0≦c1≦0.33); a lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); a vanadium oxide such as LiV 3 O 8 , V 2 O 5 , or Cu 2 V 2 O 7 ; or a lithium manganese oxide such as LiNi 1-c2 M c2 O 2 having the chemical formula LiNi 1-c2 M c2 O 2 . Examples of the lithium-nickel oxide include, but are not limited to, a Ni-site type lithium-nickel oxide represented by the formula LiMn 2-c3 M c3 O 2 (wherein M is at least one selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Cr, Zn, and Ta, and 0.01≦c3≦0.1); a lithium-manganese composite oxide represented by the formula LiMn 2-c3 M c3 O 2 (wherein M is at least one selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Cr, Zn, and Ta, and 0.01≦c3≦0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 ( wherein M is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, and Zn); and LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is replaced with an alkaline earth metal ion. The positive electrode may be Li-metal.

前記正極活物質層は、前述した正極活物質とともに、正極導電材及び正極バインダーを含んでよい。 The positive electrode active material layer may contain a positive electrode conductive material and a positive electrode binder in addition to the positive electrode active material described above.

この際、前記正極導電材は、電極に導電性を付与するために使用されるものであって、構成される電池において、化学変化を引き起こすことなく、電子導電性を有するものであれば、特に制限なく使用可能である。具体的な例としては、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、炭素繊維などの炭素系物質;銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末又は金属繊維;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウイスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;又はポリフェニレン誘導体などの導電性高分子などが挙げられ、これらのうち一種単独又は二種以上の混合物が使用されてよい。 In this case, the positive electrode conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and can be used without any particular restrictions as long as it has electronic conductivity without causing a chemical change in the battery that is constructed. Specific examples include graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, and carbon fibers; metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like. One or a mixture of two or more of these may be used.

また、前記正極バインダーは、正極活物質粒子間の付着及び正極活物質と正極集電体との接着力を向上させる役割を果たす。具体的な例としては、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(PVDF-co-HFP)、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム、又はこれらの多様な共重合体などが挙げられ、これらのうち一種単独又は二種以上の混合物が使用されてよい。 In addition, the positive electrode binder plays a role in improving the adhesion between the positive electrode active material particles and the adhesive strength between the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, and various copolymers thereof, and one or more of these may be used alone or in combination.

分離膜は、負極と正極を分離し、リチウムイオンの移動通路を提供するものであって、通常、二次電池で分離膜として使用されるものであれば、特に制限なく使用可能であり、特に、電解質のイオン移動に対して、低抵抗でありながら電解液の含湿能力に優れたものが好ましい。具体的には、多孔性高分子フィルム、例えば、エチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン/ブテン共重合体、エチレン/ヘキセン共重合体及びエチレン/メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルム又はこれらの二層以上の積層構造体が使用されてよい。また、通常の多孔性不織布、例えば、高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布が使用されてもよい。また、耐熱性又は機械的強度の確保のために、セラミック成分又は高分子物質が含まれたコーティングされた分離膜が使用されてもよく、選択的には、単層又は多層構造で使用されてよい。 The separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ions to move. Any separator that is generally used in secondary batteries can be used without any particular restrictions. In particular, a separator that has low resistance to the ion movement of the electrolyte and has excellent moisture absorption capacity for the electrolyte solution is preferable. Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of a polyolefin polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, and an ethylene/methacrylate copolymer, or a laminate structure of two or more layers thereof may be used. In addition, a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high-melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc. may be used. In addition, a coated separator containing a ceramic component or a polymeric substance may be used to ensure heat resistance or mechanical strength, and may be selectively used in a single-layer or multi-layer structure.

前記電解質は、リチウム二次電池の製造時に使用可能な有機系液体電解質、無機系液体電解質、固体高分子電解質、ゲル型高分子電解質、固体無機電解質、溶融型無機電解質などが挙げられ、これらに限定されるものではない。 The electrolyte may be, but is not limited to, an organic liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel-type polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, or a molten inorganic electrolyte that can be used in the manufacture of a lithium secondary battery.

具体的には、前記電解質は、非水系有機溶媒と金属塩を含んでよい。 Specifically, the electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a metal salt.

前記非水系有機溶媒としては、例えば、N-メチル-2-ピロリドン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマ-ブチロラクトン、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1,3-ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸 メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性有機溶媒が使用されてよい。 As the non-aqueous organic solvent, for example, aprotic organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, methyl propionate, and ethyl propionate may be used.

特に、前記カーボネート系有機溶媒中の環状カーボネートであるエチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートは、高粘度の有機溶媒であって、誘電率が高くてリチウム塩をよく解離させるので、好ましく使用することができ、このような環状カーボネートにジメチルカーボネート及びジエチルカーボネートのような低粘度、低誘電率線状カーボネートを適正な割合で混合して使用すると、高い電気伝導率を有する電解質を作製し得るので、より好ましく使用することができる。 In particular, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates among the carbonate-based organic solvents, are highly viscous organic solvents with high dielectric constants that dissociate lithium salts well, and are therefore preferably used. When such cyclic carbonates are mixed with low-viscosity, low-dielectric-constant linear carbonates such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate in an appropriate ratio, an electrolyte with high electrical conductivity can be produced, and these can be used more preferably.

前記金属塩は、リチウム塩を使用してよく、前記リチウム塩は、前記非水電解液に溶解されやすい物質であって、例えば、前記リチウム塩の陰イオンとしては、F、Cl、I、NO 、N(CN) 、BF 、ClO-、PF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF、(CF、CFSO 、CFCFSO 、(CFSO、(FSO、CFCF(CFCO、(CFSOCH、(SF、(CFSO、CF(CFSO 、CFCO 、CHCO 、SCN及び(CFCFSOからなる群から選択される1種以上を使用してよい。 The metal salt may be a lithium salt, which is a substance that is easily dissolved in the non-aqueous electrolyte. For example, anions of the lithium salt include F - , Cl - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 One or more selected from the group consisting of CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C- , ( CF3SO2 ) 3C- , CF3 ( CF2 ) 7SO3- , CF3CO2- , CH3CO2- , SCN- , and ( CF3CF2SO2 ) 2N- may be used .

前記電解質には、前記電解質の構成成分外にも、電池の寿命特性の向上、電池容量減少の抑制、電池の放電容量の向上などを目的として、例えば、ジフルオロエチレンカーボネートなどのようなハロアルキレンカーボネート系化合物、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n-グライム(glyme)、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、N-置換オキサゾリジノン、N,N-置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、2-メトキシエタノール又は三塩化アルミニウムなどの添加剤が1種以上さらに含まれてもよい。 In addition to the components of the electrolyte, the electrolyte may further contain one or more additives such as haloalkylene carbonate compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ethers, ethylenediamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinoneimine dyes, N-substituted oxazolidinones, N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, or aluminum trichloride, for the purpose of improving the life characteristics of the battery, suppressing the decrease in battery capacity, and improving the discharge capacity of the battery.

本発明のさらに他の実施形態によれば、前記二次電池を単位セルとして含む電池モジュール及びこれを含む電池パックを提供する。前記電池モジュール及び電池パックは、高容量、高速特性及びサイクル特性を有する前記二次電池を含むので、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車及び電力貯蔵用システムからなる群から選択される中大型デバイスの電源として用いられてよい。 According to yet another embodiment of the present invention, there is provided a battery module including the secondary battery as a unit cell, and a battery pack including the same. The battery module and the battery pack include the secondary battery having high capacity, high-speed characteristics, and cycle characteristics, and may be used as a power source for a medium- to large-sized device selected from the group consisting of electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, and power storage systems.

以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳しく説明する。 The present invention will be explained in more detail below with specific examples.

製造例1:カーボンブラック分散液の製造
平均粒径が35nmであるカーボンブラック(Imerys社、Super C65)0.4重量部と、カルボキシメチルセルロース(重量平均分子量:100,000g/mol、置換度:1.0)0.6重量部とを、分散媒である水99.0重量部に混合して、固形分が1.0重量%になるように混合液を製造した。前記混合液をビーズミル(beads-mill)方式で撹拌し、前記カーボンブラックを溶媒内に分散させてカーボンブラック分散液を製造した。この際、ビーズの粒径は1mmであり、前記ビーズが含まれた撹拌容器の回転速度は3,000RPMであり、前記撹拌を60分間行った。
Preparation Example 1: Preparation of Carbon Black Dispersion 0.4 parts by weight of carbon black (Imerys, Super C65) having an average particle size of 35 nm and 0.6 parts by weight of carboxymethyl cellulose (weight average molecular weight: 100,000 g/mol, degree of substitution: 1.0) were mixed with 99.0 parts by weight of water as a dispersion medium to prepare a mixture having a solid content of 1.0% by weight. The mixture was stirred using a beads-mill to disperse the carbon black in the solvent to prepare a carbon black dispersion. In this case, the particle size of the beads was 1 mm, the rotation speed of the stirring vessel containing the beads was 3,000 RPM, and the stirring was performed for 60 minutes.

前記カーボンブラック分散液内で、前記カーボンブラックは0.4重量%、前記カルボキシメチルセルロースは0.6重量%であった。 In the carbon black dispersion, the carbon black was 0.4% by weight and the carboxymethyl cellulose was 0.6% by weight.

製造例2:カーボンナノチューブ構造体分散液の製造
平均直径が1.5nmであり、平均長さが5μm以上のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体からなるバンドル型カーボンナノチューブ(比表面積が650m/g)0.4重量部と、カルボキシメチルセルロース(重量平均分子量:100,000g/mol、置換度:1.0)0.6重量部とを、分散媒である水99.0重量部に混合して、固形分が1.0重量%になるように混合物を製造した。
Preparation Example 2: Preparation of carbon nanotube structure dispersion 0.4 parts by weight of bundled carbon nanotubes (specific surface area: 650 m2 /g) consisting of single-walled carbon nanotube units having an average diameter of 1.5 nm and an average length of 5 μm or more, and 0.6 parts by weight of carboxymethyl cellulose (weight average molecular weight: 100,000 g/mol, degree of substitution: 1.0) were mixed with 99.0 parts by weight of water as a dispersion medium to prepare a mixture with a solid content of 1.0 wt%.

前記混合物をビーズミル(bead-mill)方式で撹拌し、バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブを溶媒内に分散させてカーボンナノチューブ構造体分散液を製造した。この際、ビーズの粒径は1mmであり、前記ビーズが含まれた撹拌容器の回転速度は3,000RPMであり、前記撹拌を60分間行った。前記カーボンナノチューブ構造体分散液は2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が並んで結合した形態のカーボンナノチューブ構造体を含んだ。 The mixture was stirred using a bead mill to disperse the bundled single-walled carbon nanotubes in the solvent, producing a carbon nanotube structure dispersion. In this case, the beads had a particle size of 1 mm, the rotation speed of the stirring vessel containing the beads was 3,000 RPM, and the stirring was performed for 60 minutes. The carbon nanotube structure dispersion contained carbon nanotube structures in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units were bound together in a line.

前記カーボンナノチューブ構造体分散液内で、前記カーボンナノチューブ構造体は0.4重量%、前記カルボキシメチルセルロースは0.6重量%であった。 In the carbon nanotube structure dispersion, the carbon nanotube structure was 0.4% by weight and the carboxymethyl cellulose was 0.6% by weight.

製造例3:カーボンナノチューブ構造体分散液の製造
製造例2でカルボキシメチルセルロースの重量平均分子量を400,000g/mol(置換度:1.0)に変更した以外は、製造例2と同様の方法によりカーボンナノチューブ構造体分散液を製造した。前記分散液内で、カーボンナノチューブ構造体は0.4重量%、前記カルボキシメチルセルロースは0.6重量%であった。
Production Example 3: Production of carbon nanotube structure dispersion A carbon nanotube structure dispersion was produced in the same manner as in Production Example 2, except that the weight average molecular weight of carboxymethyl cellulose was changed to 400,000 g/mol (substitution degree: 1.0). In the dispersion, the carbon nanotube structure was 0.4 wt % and the carboxymethyl cellulose was 0.6 wt %.

製造例4:シングルウォールカーボンナノチューブ単位体分散液の製造
平均直径が1.5nmであり、平均長さが5μm以上のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体からなるバンドル型カーボンナノチューブ(比表面積が650m/g)0.2重量部と、カルボキシメチルセルロース(重量平均分子量:100,000g/mol、置換度:1.0)1.2重量部とを、分散媒である水98.6重量部に混合して、固形分が1.4重量%になるように混合物を製造した。
Preparation Example 4: Preparation of single-walled carbon nanotube unit dispersion 0.2 parts by weight of bundled carbon nanotubes (specific surface area: 650 m2 /g) consisting of single-walled carbon nanotube units having an average diameter of 1.5 nm and an average length of 5 μm or more, and 1.2 parts by weight of carboxymethyl cellulose (weight average molecular weight: 100,000 g/mol, degree of substitution: 1.0) were mixed with 98.6 parts by weight of water as a dispersion medium to prepare a mixture with a solid content of 1.4% by weight.

前記混合物をビーズミル(bead-mill)方式で撹拌し、バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブを溶媒内に分散させてシングルウォールカーボンナノチューブ単位体分散液を製造した。この際、ビーズの粒径は1mmであり、前記ビーズが含まれた撹拌容器の回転速度は3,000RPMであった。前記条件で60分間撹拌することを1サイクルとして、総4サイクル(各サイクル間に60分間自然冷却遂行)で撹拌した。これにより、シングルウォールカーボンナノチューブ単位体分散液を製造した。前記分散液では、バンドル型シングルウォールカーボンナノチューブが完全に分散され、シングルウォールカーボンナノチューブ単位体が一本単位で存在しただけで、前述したカーボンナノチューブ構造体が検出されなかった。また、前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体分散液内で、前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体は0.2重量%、前記カルボキシメチルセルロースは1.2重量%であった。 The mixture was stirred in a bead mill to disperse the bundled single-walled carbon nanotubes in the solvent, producing a single-walled carbon nanotube unit dispersion. In this case, the particle size of the beads was 1 mm, and the rotation speed of the stirring vessel containing the beads was 3,000 RPM. Stirring was performed for a total of four cycles (with 60 minutes of natural cooling between each cycle) under the above conditions, with 60 minutes of stirring being one cycle. In this way, a single-walled carbon nanotube unit dispersion was produced. In the dispersion, the bundled single-walled carbon nanotubes were completely dispersed, and only single-walled carbon nanotube units were present as individual pieces, and the above-mentioned carbon nanotube structure was not detected. In addition, the single-walled carbon nanotube units were 0.2 wt % and the carboxymethyl cellulose was 1.2 wt % in the single-walled carbon nanotube unit dispersion.

製造例5:マルチウォールカーボンナノチューブ単位体分散液の製造
平均直径が10nmであり、平均長さが1μmであるマルチウォールカーボンナノチューブ単位体からなるバンドル型カーボンナノチューブ(比表面積:185m/g)4.0重量部と、カルボキシメチルセルロース(重量平均分子量:100,000g/mol、置換度:1.0)0.6重量部とを、分散媒である水95.4重量部に混合して、固形分が4.6重量%になるように混合液を製造した。
Preparation Example 5: Preparation of multi-walled carbon nanotube unit dispersion 4.0 parts by weight of bundled carbon nanotubes (specific surface area: 185 m2 /g) consisting of multi-walled carbon nanotube units having an average diameter of 10 nm and an average length of 1 μm, and 0.6 parts by weight of carboxymethyl cellulose (weight average molecular weight: 100,000 g/mol, degree of substitution: 1.0) were mixed with 95.4 parts by weight of water as a dispersion medium to prepare a mixture having a solid content of 4.6% by weight.

前記混合液を、大きさが0.65mmであるビーズが80%で満たされたスパイクミルに投入して分散させ、2kg/minの吐出速度で排出させた。このような工程を2回行って、バンドル型マルチウォールカーボンナノチューブを完全に分散させて、マルチウォールカーボンナノチューブ単位体分散液を製造した。前記分散液内で、前記マルチウォールカーボンナノチューブ単位体(平均直径:10nm)は4.0重量%、前記カルボキシメチルセルロースは0.6重量%であった。 The mixture was dispersed in a spike mill filled with 80% beads of 0.65 mm in size, and discharged at a discharge rate of 2 kg/min. This process was repeated twice to completely disperse the bundled multi-walled carbon nanotubes, producing a multi-walled carbon nanotube unit dispersion. In the dispersion, the multi-walled carbon nanotube units (average diameter: 10 nm) were 4.0 wt % and the carboxymethyl cellulose was 0.6 wt %.

実施例及び比較例
実施例1:負極の製造
(1)第1負極活物質層の形成
製造例1のカーボンブラック分散液、平均粒径(D50)が21μmである人造黒鉛、バインダーであるスチレンブタジエンゴム(SBR)及びカルボキシメチルセルロース(CMC)(重量平均分子量:100,000g/mol、置換度:1.0)を水と混合して第1負極スラリーを製造した。前記負極スラリーを、厚さが20μmである負極集電体(銅(Cu)金属薄膜)に塗布した後、130℃で乾燥させて圧延することにより、第1負極活物質層(厚さ:50μm)を形成した。
Examples and Comparative Examples Example 1: Preparation of Negative Electrode (1) Formation of First Negative Electrode Active Material Layer The carbon black dispersion of Preparation Example 1, artificial graphite having an average particle size ( D50 ) of 21 μm, and binders styrene butadiene rubber (SBR) and carboxymethyl cellulose (CMC) (weight average molecular weight: 100,000 g/mol, degree of substitution: 1.0) were mixed with water to prepare a first negative electrode slurry. The negative electrode slurry was applied to a negative electrode current collector (copper (Cu) metal thin film) having a thickness of 20 μm, and then dried at 130° C. and rolled to form a first negative electrode active material layer (thickness: 50 μm).

前記第1負極活物質層で、前記人造黒鉛は94.80重量%、前記SBRは3.5重量%、前記CMCは1.2重量%、前記カーボンブラックは0.50重量%で含まれた。 In the first negative electrode active material layer, the artificial graphite was contained at 94.80 wt%, the SBR at 3.5 wt%, the CMC at 1.2 wt%, and the carbon black at 0.50 wt%.

(2)第2負極活物質層の形成
製造例2のカーボンナノチューブ構造体分散液、負極活物質(平均粒径(D50)が21μmである人造黒鉛:平均粒径(D50)が6.6μmであるSiO重量比=94:6)、バインダーであるSBR及びカルボキシメチルセルロース(CMC)(重量平均分子量:100,000g/mol、置換度:1.0)を水と混合して第2負極スラリーを製造した。前記第2負極スラリーを前記第1負極活物質層上に塗布した後、130℃で乾燥させて圧延することにより、第2負極活物質層(厚さ:50μm)を形成した。
(2) Formation of Second Negative Electrode Active Material Layer A second negative electrode slurry was prepared by mixing the carbon nanotube structure dispersion of Preparation Example 2, a negative electrode active material (weight ratio of artificial graphite having an average particle size ( D50 ) of 21 μm:SiO having an average particle size ( D50 ) of 6.6 μm=94:6), and a binder of SBR and carboxymethyl cellulose (CMC) (weight average molecular weight: 100,000 g/mol, degree of substitution: 1.0) with water. The second negative electrode slurry was applied onto the first negative electrode active material layer, and then dried at 130° C. and rolled to form a second negative electrode active material layer (thickness: 50 μm).

前記第2負極活物質層で、前記負極活物質は総96.25重量%、前記SBRは2.5重量%、前記CMCは1.2重量%、前記カーボンナノチューブ構造体は0.05重量%で含まれる。 In the second negative electrode active material layer, the negative electrode active material is contained in a total amount of 96.25 wt%, the SBR is contained in a total amount of 2.5 wt%, the CMC is contained in a total amount of 1.2 wt%, and the carbon nanotube structure is contained in a total amount of 0.05 wt%.

実施例2:負極の製造
実施例1で第2負極活物質層を形成する際に、製造例2のカーボンナノチューブ構造体分散液の代わりに製造例3のカーボンナノチューブ構造体分散液を使用した以外は、実施例1と同様の方法で負極を製造した。
Example 2: Preparation of negative electrode A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the carbon nanotube structure dispersion liquid of Preparation Example 3 was used instead of the carbon nanotube structure dispersion liquid of Preparation Example 2 when forming the second negative electrode active material layer in Example 1.

実施例3:負極の製造
実施例1で第1負極スラリーを形成する際に、製造例1のカーボンブラック分散液の代わりに製造例5のマルチウォールカーボンナノチューブ単位体分散液を使用した以外は、実施例1と同様の方法で負極を製造した。
Example 3: Preparation of negative electrode A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the multi-walled carbon nanotube unit dispersion liquid of Preparation Example 5 was used instead of the carbon black dispersion liquid of Preparation Example 1 when forming a first negative electrode slurry in Example 1.

実施例4:負極の製造
実施例1で第1負極スラリーを形成する際に、製造例1のカーボンブラック分散液の代わりに製造例2のカーボンナノチューブ構造体分散液と製造例5のマルチウォールカーボンナノチューブ単位体分散液とを使用した以外は、実施例1と同様の方法で負極を製造した。製造された第1負極活物質層で、カーボンナノチューブ構造体とマルチウォールカーボンナノチューブとの重量比は10:90であった。前記第1負極活物質層で、前記人造黒鉛は94.80重量%、前記SBRは3.5重量%、前記CMCは1.2重量%、前記カーボンナノチューブ構造体は0.05重量%、前記マルチウォールカーボンナノチューブ単位体は0.45重量%で含まれる。
Example 4: Preparation of Negative Electrode A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the carbon nanotube structure dispersion of Preparation Example 2 and the multi-walled carbon nanotube unit dispersion of Preparation Example 5 were used instead of the carbon black dispersion of Preparation Example 1 when forming the first negative electrode slurry in Example 1. In the prepared first negative electrode active material layer, the weight ratio of the carbon nanotube structure to the multi-walled carbon nanotubes was 10:90. In the first negative electrode active material layer, the artificial graphite was 94.80 wt%, the SBR was 3.5 wt%, the CMC was 1.2 wt%, the carbon nanotube structure was 0.05 wt%, and the multi-walled carbon nanotube units were 0.45 wt%.

実施例5:負極の製造
実施例1で第1負極スラリーを形成する際に、製造例1のカーボンブラック分散液の代わりに製造例2のカーボンナノチューブ構造体分散液を使用した以外は、実施例1と同様の方法で負極を製造した。
Example 5: Preparation of negative electrode A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the carbon nanotube structure dispersion liquid of Preparation Example 2 was used instead of the carbon black dispersion liquid of Preparation Example 1 when forming the first negative electrode slurry in Example 1.

前記第1負極活物質層で、前記人造黒鉛は95.25重量%、前記SBRは3.5重量%、前記CMCは1.2重量%、前記カーボンナノチューブ構造体は0.05重量%で含まれる。 The first negative electrode active material layer contains 95.25 wt % of the artificial graphite, 3.5 wt % of the SBR, 1.2 wt % of the CMC, and 0.05 wt % of the carbon nanotube structure.

比較例1:負極の製造
製造例2のカーボンナノチューブ構造体分散液、負極活物質(平均粒径(D50)が21μmである人造黒鉛:平均粒径(D50)が6.6μmであるSiO重量比=94:6)、バインダーであるSBR及びカルボキシメチルセルロース(CMC)(重量平均分子量:100,000g/mol、置換度:1.0)を水と混合して負極スラリーを製造した。前記負極スラリーを厚さが20μmである負極集電体(銅(Cu)金属薄膜)に塗布した後、130℃で乾燥させて圧延することにより、負極活物質層(厚さ:100μm)を形成した。
Comparative Example 1: Preparation of Negative Electrode A negative electrode slurry was prepared by mixing the carbon nanotube structure dispersion of Preparation Example 2, a negative electrode active material (artificial graphite having an average particle size ( D50 ) of 21 μm:SiO having an average particle size ( D50 ) of 6.6 μm in a weight ratio of 94:6), and a binder, SBR and carboxymethyl cellulose (CMC) (weight average molecular weight: 100,000 g/mol, degree of substitution: 1.0), with water. The negative electrode slurry was applied to a negative electrode current collector (copper (Cu) metal thin film) having a thickness of 20 μm, and then dried at 130° C. and rolled to form a negative electrode active material layer (thickness: 100 μm).

前記負極活物質層で、前記負極活物質は総95.75重量%、前記SBRは3.0重量%、前記CMCは1.2重量%、前記カーボンナノチューブ構造体は0.05重量%で含まれる。 In the negative electrode active material layer, the negative electrode active material is contained in a total of 95.75 wt%, the SBR is contained in a total of 3.0 wt%, the CMC is contained in a total of 1.2 wt%, and the carbon nanotube structure is contained in a total of 0.05 wt%.

比較例2:負極の製造
実施例1の第2負極活物質層の形成時、製造例2のカーボンナノチューブ構造体の代わりに製造例4のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体分散液を使用した以外は、実施例1と同様に負極を製造した。
Comparative Example 2: Preparation of Negative Electrode A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the single-walled carbon nanotube unit dispersion liquid of Preparation Example 4 was used instead of the carbon nanotube structure of Preparation Example 2 when forming the second negative electrode active material layer of Example 1.

前記第2負極活物質層で、前記負極活物質は総96.25重量%(平均粒径(D50)が21μmである人造黒鉛:平均粒径(D50)が6.6μmであるSiO重量比=94:6)、前記SBRは2.5重量%、前記CMCは1.2重量%、前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体は0.05重量%で含まれる。 In the second negative electrode active material layer, the negative electrode active material was included in a total amount of 96.25 wt % (weight ratio of artificial graphite having an average particle size ( D50 ) of 21 μm: SiO having an average particle size ( D50 ) of 6.6 μm=94:6), the SBR was included in a total amount of 2.5 wt %, the CMC was included in a total amount of 1.2 wt %, and the single-walled carbon nanotube units were included in a total amount of 0.05 wt %.

比較例3:負極の製造
実施例1の第2負極活物質層の形成時、製造例2のカーボンナノチューブ構造体の代わりに製造例5のマルチウォールカーボンナノチューブ単位体分散液を使用した以外は、実施例1と同様に負極を製造した。
Comparative Example 3: Preparation of Negative Electrode A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the multi-walled carbon nanotube unit dispersion liquid of Preparation Example 5 was used instead of the carbon nanotube structure of Preparation Example 2 when forming the second negative electrode active material layer of Example 1.

前記第2負極活物質層で、前記負極活物質は総95.80重量%(平均粒径(D50)が21μmである人造黒鉛:平均粒径(D50)が6.6μmであるSiO重量比=94:6)、前記SBRは2.5重量%、前記CMCは1.2重量%、前記マルチウォールカーボンナノチューブ単位体は0.5重量%で含まれる。 In the second negative electrode active material layer, the negative electrode active material was included in a total amount of 95.80 wt % (weight ratio of artificial graphite having an average particle size ( D50 ) of 21 μm: SiO having an average particle size ( D50 ) of 6.6 μm=94:6), the SBR was included in a total amount of 2.5 wt %, the CMC was included in a total amount of 1.2 wt %, and the multi-walled carbon nanotube units were included in a total amount of 0.5 wt %.

Figure 0007695041000001
Figure 0007695041000001

前記実施例1、3~5、及び比較例1で、前記カーボンナノチューブ構造体の平均直径は10nmであり、平均長さは8.2μmであった。前記実施例2で、前記カーボンナノチューブ構造体の平均直径は100nmであり、平均長さは15.6μmであった。前記比較例2で、前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体の平均直径は1.6nmであり、平均長さは1.8μmであった。 In Examples 1, 3 to 5 and Comparative Example 1, the carbon nanotube structures had an average diameter of 10 nm and an average length of 8.2 μm. In Example 2, the carbon nanotube structures had an average diameter of 100 nm and an average length of 15.6 μm. In Comparative Example 2, the single-walled carbon nanotube units had an average diameter of 1.6 nm and an average length of 1.8 μm.

前記実施例3、4及び比較例3の負極で、マルチウォールカーボンナノチューブ単位体の平均直径は10.8nmであり、平均長さは1.3μmであった。 In the negative electrodes of Examples 3 and 4 and Comparative Example 3, the average diameter of the multi-walled carbon nanotube units was 10.8 nm and the average length was 1.3 μm.

前記平均直径及び平均長さは、製造された負極をTEMを介して観察した時、直径(又は、長さ)の大きい上位100個のカーボンナノチューブ構造体(又は、マルチウォールカーボンナノチューブ単位体、又は、シングルウォールカーボンナノチューブ単位体)と下位100個のカーボンナノチューブ構造体(又は、マルチウォールカーボンナノチューブ単位体、シングルウォールカーボンナノチューブ単位体)との平均値に該当する。 The average diameter and average length correspond to the average values of the top 100 carbon nanotube structures (or multi-wall carbon nanotube units or single-wall carbon nanotube units) with the largest diameter (or length) and the bottom 100 carbon nanotube structures (or multi-wall carbon nanotube units or single-wall carbon nanotube units) when the manufactured negative electrode is observed through a TEM.

実験例1:負極の観察
(1)バインダー分布
図1は、比較例1(Comparative Example 1)の負極及び実施例1(Example 1)の負極のバインダー分布を分析した写真である。前記分析は、オスミウム酸化物(OsO)染色法により行われた。具体的には、グローブボックス内に準備された密閉型の特殊チャンバ内に、前記負極をオスミウム酸化物のFume雰囲気に3日間露出/放置して染色し、Ar雰囲気に置換した。1日後、イオンミリングに切削された負極断面を、SEM-EDXでイメージマッピング(image mapping)して分析した。
Experimental Example 1: Observation of negative electrode (1) Binder distribution FIG. 1 is a photograph analyzing the binder distribution of the negative electrode of Comparative Example 1 and the negative electrode of Example 1. The analysis was performed by an osmium oxide (OsO 4 ) dyeing method. Specifically, the negative electrode was dyed by exposing/standing in an osmium oxide fume atmosphere for 3 days in a closed special chamber prepared in a glove box, and the atmosphere was replaced with Ar. After 1 day, the cross section of the negative electrode cut by ion milling was analyzed by image mapping using SEM-EDX.

図1は、単一層で負極活物質層を形成した場合である比較例1(左側)と、第1、2負極活物質層の二層が形成された実施例1(右側)との分析写真である。右側写真を見れば、実施例1では、第1、2負極活物質層が互いに異なる組成を有することが分かり、第1、2負極活物質層に対するバインダー分布の割合もそれぞれ異なることが分かる。特に、実施例1のように第1、2負極活物質層をそれぞれ形成した場合、第2負極活物質層にのみSiOが位置したことが分かり、第1負極活物質層のバインダー量がより多いことが分かる。また、負極活物質層の厚さ方向にバインダー分布が変わることが分かる。 Figure 1 shows analytical photographs of Comparative Example 1 (left), in which a single layer of the negative electrode active material layer is formed, and Example 1 (right), in which two layers of first and second negative electrode active material layers are formed. Looking at the photograph on the right, it can be seen that in Example 1, the first and second negative electrode active material layers have different compositions, and the binder distribution ratios for the first and second negative electrode active material layers are also different. In particular, when the first and second negative electrode active material layers are formed as in Example 1, it can be seen that SiO is located only in the second negative electrode active material layer, and the binder amount in the first negative electrode active material layer is greater. It can also be seen that the binder distribution changes in the thickness direction of the negative electrode active material layer.

(2)カーボンナノチューブ構造体の存在の確認
図2は、実施例1の負極の第2負極活物質層のSEM写真であり、図3は、実施例2の負極の第2負極活物質層のSEM写真である。図4は、比較例3の負極の第2負極活物質層のSEM写真である。図6は、比較例2の負極の第2負極活物質層のSEM写真である。
(2) Confirmation of the presence of carbon nanotube structures Fig. 2 is an SEM photograph of the second negative electrode active material layer of the negative electrode of Example 1, and Fig. 3 is an SEM photograph of the second negative electrode active material layer of the negative electrode of Example 2. Fig. 4 is an SEM photograph of the second negative electrode active material layer of the negative electrode of Comparative Example 3. Fig. 6 is an SEM photograph of the second negative electrode active material layer of the negative electrode of Comparative Example 2.

図2及び図3を参照すれば、複数のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が互いに並んで配列されて結合した長いロープ(rope)状のカーボンナノチューブ構造体が存在することを確認することができる。特に、図2の実施例1の負極では、重量平均分子量が比較的低い水素化ニトリルブタジエンゴムを使用したので、10nm水準の平均直径を有するカーボンナノチューブ構造体が形成されたことが分かり、図3の場合は、100nm水準の平均直径を有するカーボンナノチューブ構造体が形成されたことが分かる。図2及び図3のいずれもカーボンナノチューブ構造体が互いに網構造をなすことが分かる。 Referring to Figures 2 and 3, it can be seen that there is a long rope-like carbon nanotube structure in which multiple single-walled carbon nanotube units are arranged side by side and connected to each other. In particular, in the negative electrode of Example 1 in Figure 2, hydrogenated nitrile butadiene rubber with a relatively low weight average molecular weight was used, so it can be seen that a carbon nanotube structure with an average diameter of about 10 nm was formed, and in the case of Figure 3, it can be seen that a carbon nanotube structure with an average diameter of about 100 nm was formed. In both Figures 2 and 3, it can be seen that the carbon nanotube structures form a network structure.

一方、図4では、短い長さのマルチウォールカーボンナノチューブ単位体のみが見えるだけで、カーボンナノチューブ構造体は観察されなかった。また、図6でも、一本単位で存在するシングルウォールカーボンナノチューブ単位体のみが見えるだけで、カーボンナノチューブ構造体は観察されなかった。 On the other hand, in Figure 4, only short multi-walled carbon nanotube units were visible, and no carbon nanotube structure was observed. Also, in Figure 6, only single-walled carbon nanotube units existing as individual units were visible, and no carbon nanotube structure was observed.

(3)第2導電材によるネットワークの確認
図5は、実施例1の負極の第2負極活物質層のSEM写真である。図5の(A)を参照すれば、カーボンナノチューブ構造体によりSiOのクラックが抑制され得ることが分かる。図5の(B)を参照すれば、カーボンナノチューブ構造体が、クラックが起きたSiO上で、導電性ネットワークが切断されないように維持していることが分かる。図5の(C)を参照すれば、カーボンナノチューブ構造体の長い長さに起因して、導電性ネットワークが長く形成されていることが分かる。
(3) Confirmation of the network by the second conductive material Figure 5 is an SEM image of the second negative electrode active material layer of the negative electrode of Example 1. Referring to (A) of Figure 5, it can be seen that the carbon nanotube structure can suppress cracks in SiO. Referring to (B) of Figure 5, it can be seen that the carbon nanotube structure keeps the conductive network from being cut on the SiO where cracks have occurred. Referring to (C) of Figure 5, it can be seen that the conductive network is formed long due to the long length of the carbon nanotube structure.

実験例2:負極接着力の評価
負極接着力(負極活物質層と集電体との接着力)は、乾燥条件で測定した。具体的には、スライドガラスに両面テープを付け、その上に20mm×180mmに打抜きした負極を載せて2kg rollerで10回往復して接着させた後、UTM(TA社)機器を用いて200mm/minで引いてスライドガラスから剥離される力を測定した。この際、スライドガラスと負極との測定角度は90゜であった。測定結果は、下記表2に示した。
Experimental Example 2: Evaluation of negative electrode adhesion The negative electrode adhesion (adhesion between the negative electrode active material layer and the current collector) was measured under dry conditions. Specifically, double-sided tape was attached to a glass slide, and a negative electrode punched to 20 mm x 180 mm was placed on the tape and rolled back and forth 10 times with a 2 kg roller to adhere the negative electrode. The force required to peel the negative electrode from the glass slide was measured by pulling the negative electrode at 200 mm/min using a UTM (TA) device. The measurement angle between the glass slide and the negative electrode was 90°. The measurement results are shown in Table 2 below.

実験例3:第1負極活物質及び第2負極活物質の接着力の評価
実施例1~4及び比較例1~3に対して、次のような方法でせん断強度(shear strength、N/mm)を測定した。測定は、SAICAS(Surface and Interfacial Charaterization Analysis System)装置(SAICAS EN-EX、Daipla Wintes Japan)を使用して測定した。具体的には、ダイヤモンド素材のマイクロ大きさの刃を使用して、それぞれの負極を表面から内側を向けて傾いた状態で切削しながら、第1負極活物質層と前記第2負極活物質層の境界面で、前記刃に加えられる力によりせん断強度を測定し、これを表2に示した。
Experimental Example 3: Evaluation of Adhesion Strength of First Negative Electrode Active Material and Second Negative Electrode Active Material For Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, the shear strength (N/mm 2 ) was measured by the following method. The measurement was performed using a SAICAS (Surface and Interfacial Characterization Analysis System) device (SAICAS EN-EX, Daipla Wintes Japan). Specifically, a micro-sized diamond blade was used to cut each negative electrode in a tilted state from the surface toward the inside, and the shear strength was measured at the interface between the first negative electrode active material layer and the second negative electrode active material layer according to the force applied to the blade, and the results are shown in Table 2.

実験例4:C-Rateによる放電容量及び容量維持率の評価
実施例1~5及び比較例1~3の負極を使用して、それぞれ下記のように電池を製造した。
Experimental Example 4: Evaluation of discharge capacity and capacity retention rate according to C-Rate Using the negative electrodes of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3, batteries were fabricated as follows.

正極活物質としてLi[Ni0.6Mn0.2Co0.2]Oを使用した。前記正極活物質、導電材であるカーボンブラック、バインダーであるポリビニリデンフルオライド(PVdF)を94:4:2の重量比で溶媒N-メチル-2ピロリドンに混合して正極スラリーを製造した。 Li [ Ni0.6Mn0.2Co0.2 ] O2 was used as the positive electrode active material. The positive electrode active material, carbon black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed in a weight ratio of 94:4:2 in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to prepare a positive electrode slurry.

製造された正極スラリーを、厚さ15μmの正極集電体であるアルミニウム金属薄膜に塗布及び乾燥した。この際、循環される空気の温度は110℃であった。次に、圧延し、130℃の真空オーブンで2時間乾燥して正極活物質層を形成した。 The prepared positive electrode slurry was applied to a 15 μm-thick aluminum metal thin film, which was a positive electrode current collector, and dried. At this time, the temperature of the circulating air was 110°C. Next, it was rolled and dried in a vacuum oven at 130°C for 2 hours to form a positive electrode active material layer.

実施例1~5及び比較例1~3の負極のそれぞれと、前記製造された正極と多孔性ポリエチレン分離膜とをスタッキング(Stacking)方式を用いて組み立て、組み立てられた電池に電解液(エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=1/2(体積比)、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF 1モル)を注入して、リチウム二次電池を製造した。 Each of the negative electrodes of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3, the positive electrodes prepared above, and a porous polyethylene separator were stacked together, and an electrolyte (ethylene carbonate (EC)/ethyl methyl carbonate (EMC)=1/2 (volume ratio), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 1 mol)) was injected into the assembled battery to prepare a lithium secondary battery.

1)C-Rateによる放電容量の評価
充電C-Rateは0.2Cで固定し、放電C-Rateを0.2Cから2.0Cに増加させながら、それぞれのリチウム二次電池に対して0.2C放電容量に対して2.0C放電容量(%)を測定した後、表2に示した。
1) Evaluation of Discharge Capacity by C-Rate The charge C-Rate was fixed at 0.2 C, and the discharge C-Rate was increased from 0.2 C to 2.0 C. The 0.2 C discharge capacity and the 2.0 C discharge capacity (%) of each lithium secondary battery were measured and shown in Table 2.

2)容量維持率(寿命特性)の評価
それぞれのリチウム二次電池に対して、次の条件で充・放電を行った。
それぞれのリチウム二次電池を、45℃で4.25V~2.8Vの電圧範囲で0.33C/0.33C充電/放電させることを1サイクル条件とし、総100サイクルを進行した。その後、1サイクル後の放電容量を100%に基づいて100回サイクル後の放電容量(容量維持率)を評価し、表2に示した。
2) Evaluation of Capacity Retention Rate (Life Characteristics) Each lithium secondary battery was charged and discharged under the following conditions.
Each lithium secondary battery was charged/discharged at 0.33 C/0.33 C in the voltage range of 4.25 V to 2.8 V at 45° C. for a total of 100 cycles. Thereafter, the discharge capacity after 100 cycles (capacity retention rate) was evaluated based on the discharge capacity after one cycle being 100%. The results are shown in Table 2.

Figure 0007695041000002
Figure 0007695041000002

表2を参照すれば、第2負極活物質層がカーボンナノチューブ構造体を含む場合、電池の入/出力特性と寿命特性が改善し、負極接着力及び第1負極活物質層と第2負極活物質層との接着力を改善できることが分かる。 Referring to Table 2, it can be seen that when the second negative electrode active material layer contains a carbon nanotube structure, the input/output characteristics and life characteristics of the battery are improved, and the negative electrode adhesion and the adhesion between the first negative electrode active material layer and the second negative electrode active material layer can be improved.

Claims (12)

負極集電体、前記負極集電体上に配置される第1負極活物質層、及び前記第1負極活物質層上に配置される第2負極活物質層を含み、
前記第1負極活物質層は、第1負極活物質を含み、
前記第1負極活物質は、炭素系活物質であり、
前記第2負極活物質層は、第2負極活物質、及び第2導電材を含み、
前記第2負極活物質は、シリコン系活物質を含み、
前記シリコン系活物質は、SiO(0≦X<2)を含み、
前記第2導電材は、2個~5,000個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が並んで結合したカーボンナノチューブ構造体、を含み、
前記カーボンナノチューブ構造体は、前記第2負極活物質層内に0.01重量%~1.0重量%で含まれており
前記第1負極活物質層は、第1導電材をさらに含み、
前記第1導電材は、前記カーボンナノチューブ構造体及びマルチウォールカーボンナノチューブ単位体からなる群から選択される少なくとも一つを含む、負極。
a negative electrode current collector; a first negative electrode active material layer disposed on the negative electrode current collector; and a second negative electrode active material layer disposed on the first negative electrode active material layer,
the first negative electrode active material layer includes a first negative electrode active material,
the first negative electrode active material is a carbon-based active material;
the second negative electrode active material layer includes a second negative electrode active material and a second conductive material,
the second negative electrode active material includes a silicon-based active material;
The silicon-based active material contains SiO x (0≦X<2),
The second conductive material includes a carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bonded in a line,
The carbon nanotube structure is included in the second negative electrode active material layer in an amount of 0.01 wt % to 1.0 wt %;
The first negative electrode active material layer further includes a first conductive material,
The first conductive material includes at least one selected from the group consisting of the carbon nanotube structure and a multi-walled carbon nanotube unit .
前記第2負極活物質層内で、前記カーボンナノチューブ構造体は、互いに連結されて網構造を示す、請求項1に記載の負極。 The negative electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotube structures in the second negative electrode active material layer are interconnected to form a network structure. 前記カーボンナノチューブ構造体内で、
前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体は、前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体の長軸が互いに平行に配列された状態で結合している、請求項1に記載の負極。
In the carbon nanotube structure,
The negative electrode of claim 1 , wherein the single-walled carbon nanotube units are bonded together with their major axes aligned parallel to each other.
前記カーボンナノチューブ構造体の平均長さは、1μm~500μmである、請求項1に記載の負極。 The negative electrode according to claim 1, wherein the average length of the carbon nanotube structure is 1 μm to 500 μm. 前記カーボンナノチューブ構造体の平均長さは、2μm~50μmである、請求項1に記載の負極。 The negative electrode according to claim 1, wherein the average length of the carbon nanotube structure is 2 μm to 50 μm. 前記カーボンナノチューブ構造体の平均直径は、2nm~500nmである、請求項1に記載の負極。 The negative electrode according to claim 1, wherein the average diameter of the carbon nanotube structure is 2 nm to 500 nm. 前記カーボンナノチューブ構造体の平均直径は、5nm~200nmである、請求項1に記載の負極。 The negative electrode according to claim 1, wherein the average diameter of the carbon nanotube structure is 5 nm to 200 nm. 前記カーボンナノチューブ構造体内で、前記シングルウォールカーボンナノチューブ単位体の平均直径は、0.5nm~10nmである、請求項1に記載の負極。 The negative electrode of claim 1, wherein the average diameter of the single-walled carbon nanotube units in the carbon nanotube structure is 0.5 nm to 10 nm. 前記カーボンナノチューブ構造体は、2個~50個のシングルウォールカーボンナノチューブ単位体が互いに結合したカーボンナノチューブ構造体である、請求項1に記載の負極。 The negative electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotube structure is a carbon nanotube structure in which 2 to 50 single-walled carbon nanotube units are bonded to each other. 前記第1負極活物質層の厚さは、1μm~100μmである、請求項1に記載の負極。 The negative electrode according to claim 1, wherein the thickness of the first negative electrode active material layer is 1 μm to 100 μm. 前記第2負極活物質層の厚さは、1μm~100μmである、請求項1に記載の負極。 The negative electrode according to claim 1, wherein the thickness of the second negative electrode active material layer is 1 μm to 100 μm. 請求項1に記載の負極を含む二次電池。 A secondary battery comprising the negative electrode according to claim 1.
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